ANSYS的导管架海洋平台优化分析.docVIP

——————————————————————————————————————————————— ANSYS的导管架海洋平台优化分析 1 前言 随着我国海洋石油战略的实施，海洋石油开发显得越来越重要。导管架海洋平台作为海洋资源开发的基础 性设施，由于性能优良，施工方便等优点，很快得到推广和发展。因此针对目标平台所处海域海况以及生产需求的导管架海洋平台优化设计成为一项重要的研究内容。 由于海洋平台结构复杂、体积庞大，传统的分析方法由于计算过程繁杂、计算量大等原因难以对导管架海洋平台整体的位移及各局部结构的受力状态给予准确计算。笔者借助于大型CAE软件ANSYS的优化分析功能，以国内某导管架海洋平台为研究对象，通过建立合适的导管架平台有限元模型，对海洋平台在海洋波浪荷载和风荷载作用下的受力进行分析，并对海洋平台进行优化，从而为海洋平台为安全运行、成本控制提供了合理的数字化分析结果。 2 导管架海洋平台模型建立 本文以某导管架海洋平台为例，计算结构总模型及各层间导管布置如图1所示，采用固定式导管架结构，生产平台导管架为6腿成矩形布置，工作点平面尺寸为32m×34m。上部组块共分四层，主尺寸为46m×40m，层高8m，设计水深为12.2m。 该类型的海洋平台由上部结构和基础结构两部分组成。上部结构指平台的甲板梁、板、立柱等结构；基础结构又叫支承结构，由导管架和桩组成。 3 导管架海洋平台受力分析 运用ANSYS软件，对导管架平台进行受力分析，得到平台的最大位移，最大MISES应力的变化情况。 平台腿1和腿2的水平向位移及MISES应力随平台腿深度的变化如图6和图7所示。 由图6和图7可以看出，当平台腿深度为0.88m时，平台腿2的水平方向位移为7.96mm，对应该位置点的MISES应力为4.85MPa；当平台腿深度增大到11.3m时，平台腿2的水平方向位移为2.44mm，对应该位置点的MISES应力为9.40MPa；由此可以得出，随着平台腿深度的增大，导管架腿的Y方向位移逐渐减小，但其MISES应力逐渐增大。 4 导管架平台优化分析 ANSYS结构优化提供两种算法，一种是零阶近似算法，另一种是一阶算法，本文采用一阶算法，选择各层型钢梁以及导管架结构中柱的剖面尺寸作为优化设计的对象。在优化过程中，因涉及的参数较多，难于进行整体优化时，还将采用分步优化的思想达到优化多个参数的目的。分步优化方法的整个优化过程分为分步优化过程1和分步优化过程2，与分步优化过程1相对应的优化次数为1~4，与分步优化过程2相对应的优化次数为4~6。优化次数1~4对应的为分步优化过程1是对结构梁截面的优化，而优化次数4~6对应的为分步优化过程2是对结构管柱截面的优化。 导管架平台采用分步优化后，梁、管柱的MISES应力，平台的最大侧移，梁的最大挠度随优化次数的变化如图8~图9所示。 由图8 可以看出优化次数为1~4 时，梁MISES应力的增加速率较大；而优化次数4~6时管柱MISES应力增加速率较大。根据图9可知，整个优化过程完成之后，结构的最大侧移值仅为0.01m，根据结构设计规范所计算出的结构最大位移限值0.107m。因此该结构刚度要求中的最大侧移限制并不会成为影响该结构稳定或安全的关键因素。梁的最大挠度值为0.038m，对于跨度为20m的梁，为了不影响梁的正常使用，其最大挠度不应超过0.04m，优化后梁的最大挠度已经接近其最大挠度限值，因此结构最大挠度值就成为影响构件截面选型的关键因素。 由图10可知，随着优化过程的进行，平台的质量不断减小。而优化过程1中平台质量的变化明显大于优化过程2中的质量的变化，说明此平台上部结构对平台梁的优化是最主要的。同样根据图11可以看出，分步优化过程1中，平台前三阶频率随优化进程的进行不断减小；而优化过程2中，平台的前三阶模态频率随优化进程的进行而不断减小。最终优化完成时，平台的前三阶模态频率基本与最初持平。 优化前后平台的固有频率及总重量变化如表1所示，可以看出优化后的平台总重量降低了27%，平台前三阶模态频率在优化前后变化并不明显，前三阶模态频率在分步优化过程1和分步优化过程2中分别表现为增加和减小，最终效果相互抵消。可见，优化后的导管架平台上部结构自重明显减小，相应的造价随之显著降低。 由于该结构优化参数较多，并且ANSYS优化设计中所允许的最大设计变量数目为20个，因此该在平台优化设计计算时采用了分步优化的方法。在分步优化过程1中，平台质量减小了19%，在分步优化过程2中 平台质量减小了8%，平台上部结构的前三阶固有频率在分步优化过程1中呈现上升的趋势，但在分步优化过程