导管架平台抗冰振措施的数值分析

体，主要目的是降低冰力和冰激振动。但是在安装上锥体之后平台依然存在明显 的冰激振动，对其测量中发现：安装锥体后，冰与结构作用时存在比较明显的破 碎周期，在特定的冰厚与冰速组合下，冰力周期可以与结构的固有周期吻合而引 起共振。因此冰与锥体作用的破碎行为中，确定性的冰力函数还需要进一步的研
究。
（３）粘弹性耗能斜撑结构【４１。在冰力作用点与底甲板之间增设粘弹性耗能斜 撑。选用基本接近于层刚度的粘弹性元件刚度，在元件工作温度为．１０℃的条件 下，可取得３５．５％减振率的最优减振效果。但由于海上平台结构的特点，海洋环 境的恶劣，海上维护、施工及安装的困难，该技术应用更加复杂。不仅应研究斜 撑本身的性能，减冰振效果，还应重点考虑该耗能元件的寿命、强度、连接方式， 斜撑本身刚度与结构刚度的关系等一系列工程应用的可行性问题。
ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａ“ｓｐｒｉｎｇ—ｄａｍｐｅｒ＇’ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｏｓｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｓ ｇａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｎｔｉｔｙ ｍｏｄｅｌ．Ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｉｃｅ ｆｏｒｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ
第二章海冰工程研究历史与海冰的物理力学特征
第二章海冰工程研究历史与海冰的物理力学特性
随着极地海洋资源的发现，特别是极地海洋石油天然气的开采，海冰更成了 西方几个主要国家的重要研究对象，它们自５０年代后投入了大量的人力物力， 目的是争夺极其丰富的海洋石油资源嘲。我国自６０年代以后也开展了海冰的研
究，但目标是针对我国渤海，主要是辽东湾地区…们。
分析．得到设置橡胶减振护层前、后平台上层甲板不同的振动参数。经比较，得 出设置橡胶减振护层后的减振效果，证明此法是一种简易、可行、经济的减振措
旌。
关键词：冰激振动减振ＡＮＳＹＳ分析冰力函数橡胶减振护层
ＡＢ ＳＴＲＡＣＴ
Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｈｉ曲１０ａｄ ｏｆ ｓｅａ ｉｃｅ ｉｓ ａ ｇｒｅａｔ ｔｈｒｅａｔ ｔｏ ｏｃｅａｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｓｅｒｉｏｕｓ
第一节冰激振动的工程背景
在海洋工程的研究中，海冰工程是一个重要的研究领域。以往我们研究的主 要是静冰力问题，随着研究的深入，大家越来越意识到冰载荷对海洋结构的威胁 除了它们的高载荷外，更多的在于显著的动力效应。由冰引起结构物的剧烈振动， 导致了多起海洋结构物被破坏：１９６９年３月９号渤海石油公司老二号钻井平台 在大片浮冰的不断撞击下倒塌，该公司于１９７５在海４油田建成投产的渤海四号 采油平台的生活平台，于１９７７年春在飘移冰排的连续挤压作用下产生剧烈振动， 烽火台被冰推倒。国外类似这样的例子也不少见：１９６２～１９６３年美国阿拉斯加
ａｒｅ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｔｏ ｔｗｏ ｇｒｏｕｐｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｗｈｅｔｈｅｒ ｈａｓ ｒｕｂｂｅｒ ｏｒ ｎｏｔ．Ｔｈｒｏｗ【ｇｈ ｔｈｅ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ａｎ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｉｃｅ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ
限性较大。
（２）设立正倒锥体【３】。由于冰弯曲强度远小于挤压强度，因此，在设计采油 固定平台时，根据斜面结构可以造成海冰弯曲破坏的原理，在平台桩腿冰作用的
第一章绪论
部位，增设正倒锥体，则平台结构有利于抗冰。但是人们对安装锥体的实际效果
还没有明确定论，我国渤海辽东湾Ｊｚ２０一２平台在九十代初安装了固定式正倒锥
第一节海冰工程研究历史
２．１．１国外研究概况
国外对海冰的认识和研究，最初始于航道交通。海冰不仅封锁港口、堵塞航 道、中断交通运输，而且还挤压破损港工设施、撞毁海工建筑物和过往船只，造 成重大海难事故。芬兰是最早对海冰进行专门研究的国家之一，它是世界上唯一 在冬天所有港ＶＩ均被冻结的国家，冬季航运的需要促使它对海冰进行研究，并于 １８７７年首航瑞典成功，１８９０年首艘破冰船开始作业，１９７０年以后整个国家的全 部海港达到全年通航…Ｊ。芬兰于１９６９年建成首座冰模型试验池，并投入使用， １ ９８３年重建一座大型冰试验池，进行大量的冰模型试验，研究了冰的生成与运 动、冰的成份与物理性质、冰的物理模型与物理试验结果对比、冰的预测方法等 ［１２—４１。丰富的极地石油与天然气资源推动了８０年代初芬兰对极地海洋结构的研 究，集１００多年对航道海冰研究的成果，研究了冰对结构的冲击与荷载‘１５“７１。海 洋结构的冰激振动［１８，１９１、结构的冰振失效问题皿川等等，进行了大量现场全尺寸的 试验，采集了冰压力及其沿结构分布的大量数据【２Ⅲ，同时做了许多模型试验来 完善理论分析｜１５，２２ｌ。
第三节本文所做工作及成果
本文采用了理论研究与数值计算的方法，提出了一种新型的抗振措施即：橡 胶减振护层。并对此措施的实际工程应用价值做了相应的评述。
本文主要工作概述如下：
２
第一章绪论
（１）查阅国内外文献资料，了解本课题领域的研究现状，对理论分析与模型 试验相结合这一研究方法的重要意义有了深入了解；
ｗｈｅｎ ｒｕｂｂｅｒ ｉｓ ａｆｆｉｘｅｄ．Ｓｏ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ，ｖｉａｂｌｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｍｅａｓｕｔｒｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｃｅ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ＡＮＳＹＳ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｍｉｔｉｇａｔｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｃｅ ｆｏｒｃｅ ｆｉｍｃｔｉｏｎ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｒｕｂｂｅｒ ｓｈｉｅｌｄ
（２）就海冰引起结构振动的物理一力学机制介绍了不同的振动理论； （３）选择合理的冰力函数，它是解决实际工程中冰激振动问题的合理方案； （４）论述了有限单元法理论，并在ＡＮＳＹＳ中建立数学模型分析冰激振动作用 过程，以Ｊｚ２０—２平台作为研究载体进行了减振效果分析： （５）在ＡＮＳＹＳ中建立橡胶减振护层的实体模型，在相关的假设条件下根据橡 胶刚度来确定橡胶的弹性模量。同时考虑实际工程应用的情况，对得到的结果做 出一定的修正来达到工程实际的需要。 对程序计算结果认为利用橡胶减振护层作为一种减低冰激振动的措施是正 确的，有实际应用意义的。并就以后要进行的模型试验给出了试验方向的相关建 议。
ｔｈｒｅａｔ ｌｉｅｓ ｉｎ ｉｔｓ ｎｏｔａｂｌｅ ｍｏｔｉｖｅ ｅ￡ｆｃｃｔ．Ｔｈｅ ｉｃｅ．ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｃａｕｓｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｔｏ ｏｃｅａｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｅａ ｉｃｅ ａｎｄ ｏｃｅａｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｂｏｈａｉ Ｓｅａ．ｔｈｅ ｔｅｘｔ
学位论文作者签名：给ｆ文’
签字日期： 上。·’，年，月名同
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ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｔｈｉｓ ｔｅｘｔ．Ｗ‰ｔｈｅ ｉｃｅ ｆｏｒｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｍｏｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ＪＺ２０一２ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂｙ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｇｅｔｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ．Ｔｌｌｅｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表
或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。
第二节 已有的抗冰振措施及其存在的问题
经过大量的资料检索将现在国内已有的各种抗冰振措旋现归纳如下５点： （１）减少平台上层质量１２Ｊ。根据已有的相关计算，若平台上层质量减小３倍， 则平台的冰激振动位移将减小６倍。但此法的缺陷是我们并不能凭自己的意志任 意的改变平台上层甲板的质量，尤其对于已用于生产的平台，所以这种方法的局
库克湾的两座采油平台，于１９６４年冬在剧烈的冰激振动下倒塌；６０年同本在雅 内港外声向崎海上声向崎灯标，于６５年３月受浮冰袭击而倒塌；７３年波兰在波 兹尼亚湾建造的Ｋｅｍｉ一１钢质灯塔，于当年冬季在风驱动的漂移冰排作用下产 生剧烈振动而倒塌等等…。除结构破坏外，海冰作用下结构的剧烈振动也严重影 响着海洋平台冬季生产作业和人员的安全、舒适性。以上这些灾难性的事故给我 传达最重要的信息就是抗冰振措施的重要性。
ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｌａｙｅｒｓ
ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｒｕｂｂｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｋｅｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｍｏｔｉｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｉｃｅ ｌｏａｄ，Ｄｕｒｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｒｕｂｂｅｒ ｉｓ ｓｕｐｐｏｓｅｄ ａｓ ａ ｌｄｎｄ ｏｆ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ａｍｘ ｔｏ血ｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
（４）结构阻尼隔振体系｝５Ｊ。方法是在导管架端帽与上部组块之间设置阻尼隔 振层。通过隔振层的集中变形，使其中的阻尼耗能器充分发挥作用，耗散结构的 输入能量，从而减小结构振动的反应。阻尼隔振结构隔振层刚度较小（约为下部 导管架０．２倍）时，导管架端帽处的位移的理想减振效果在３２％以上：当隔振层 刚度较大（约为下部导管架１．４倍）时，导管架端帽处的位移的理想减振效果在 ２４％以上。但这种方法对于已建的平台结构，阻尼隔振方案在工程实施上是有困 难的，而新建平台结构采用阻尼隔振方案是非常合适的。