基于ABAQUS／AQUA的深水导管架平台极值响应分析
ABAQUS海洋工程应用
二、ABAQUS软件应用介绍
1. 汽车工业
ABAQUS已经成为汽车工业中动力系统可靠性分析 的标准软件。ABAQUS是最早的可以高精度模拟螺栓 预紧力和垫片密封的有限元软件。世界各大汽车公司， 如通用汽车公司等，均大量采用ABAQUS进行汽车动 力系统的分析，图1所示的动力系统模型用于进行自由 振动的特征值提取分析。
四、ABAQUS软件的inp文件介绍
类似于ANSYS软件中的参数化建模方式，我们可以通 过ABAQUS的输入文件(inp) 建立分析问题的计算模型、 进行求解和提取结果。 4.1 ABAQUS的输入文件 ABAQUS的输入文件由模型数据和历史数据两部分组成。 模型数据定义一个有限元模型，包括单元,节点，单元性 质，定义材料等等有关说明模型自身的数据。历史数据 定义分析的类型，载荷，输出要求等。分析的目的就是 预测模型对某些外部荷载或者某些初始条件的响应。一 个ABAQUS分析是建立在多个分析步骤的基础上的。在 分析中可以定义多个分析步骤。 ABAQUS的输入文件有自己的结构形式和语法规则。
ABAQUS的输入文件指令被称为关键词，这些关键词被写入到 inp文件当中，可以完成前处理、求解和结果后处理整个分析过程。 使用关键词的ABAQUS/AQUA模块的输入文件模板为：
谢谢大家！ຫໍສະໝຸດ 1.2 ABAQUS的主要分析模块简介 ABAQUS 有两个主要的分析模块： ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Standard 还 有 两 个 特 殊 用 途 的附加分析模块： ABAQUS/Aqua 和 ABAQUS/Design。另 外， ABAQUS 还有分别与 ADAMS/Flex，C-MOLD 和 Mold flow的接口模块等。 ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，它能够求解领域 广泛的线性和非线性问题，包括静力、动力、热和电问题 的响应等。 ABAQUS/Explicit 是隐式分析模块，适用于像冲击和爆炸 这类短暂，瞬时的动态事件，是求解复杂非线性动力学问 题和准静态问题的理想程序，特别是用于模拟冲击和其它 高度不连续事件。
基于 ABAQUS／Explicit 的深水连接器准静态分析
基于 ABAQUS／Explicit 的深水连接器准静态分析赵三军;段梦兰;李旭东;刘亚磊;罗晓兰;代广文;李博【摘要】介绍了深水套筒式连接器的结构与工作原理。
建立了有限元模型，运用Abaqus/Explicit 显式准静态分析求解，从能量的角度判定模型分析的准确性，从计算结果判定该连接器的设计能否满足强度要求。
显式准静态分析求解既保证了数值计算的准确性，又解决了静态分析复杂接触时严重的不收敛问题，为解决复杂接触的静力问题提供了一种方法。
%The structure and working principle of deepwater collet connector is introduced.Finite element model is established,Abaqus/Explicit quasi-static analysis is used to solve the model,the accuracy of the model analysis from an energy point is determined and the design of the connector is determined if it can meet the strength requirements or not on the basis of calculation results. Quasi-static analysis could not only ensure the accuracy of numerical computation,but also solve serious non convergence problem of static analysis of complex contact,and provide a way to solve static problem of complex contact.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2014(000)008【总页数】4页(P23-26)【关键词】水下生产系统;连接器;有限元法;准静态分析【作者】赵三军;段梦兰;李旭东;刘亚磊;罗晓兰;代广文;李博【作者单位】中国石油大学北京海洋油气研究中心，北京 102249;中国石油大学北京海洋油气研究中心，北京 102249;中国石油大学北京海洋油气研究中心，北京 102249;中国石油大学北京海洋油气研究中心，北京 102249;中国石油大学北京海洋油气研究中心，北京 102249;中国石油大学北京海洋油气研究中心，北京102249;中海油研究总院，北京 100027【正文语种】中文【中图分类】TE952深水区域的油气资源相对浅水区域丰富，人类开采的方向也从浅水逐渐深入到深水，而水下生产系统已成为重要的深水开发装备［1］。
基于深水半潜式生产平台的多元载荷因子分析
125近年来，世界各国油气资源勘探、开发向海洋深水区迈进，海洋深水油气资源的产量更多，效益更优，逐渐成为世界海洋油气主流开发领域[1-2]。
半潜式生产平台作为深水油气开采作业的重要装备，其具有抗风浪能力强、稳定性好、移动灵活等特点，并且能够较好的适应不同水深海域，顺利开展相关作业工作[3-4]。
半潜式生产平台由下浮体、立柱及平台甲板组成主体结构，通过系泊缆进行平台系泊定位，限制平台位移[5-6]。
海上自然环境复杂，风浪流等环境载荷作用于平台主体结构，不仅极易对平台主体结构造成强度损伤[7]。
而且使平台产生不规则位移，进而带动系泊缆产生张紧力，张紧力反向作用于平台，造成平台结构损伤。
本文结合实际工况，计算平台所受重力、浮力、舱体压力、系泊力，建立半潜式生产平台有限元模型，基于海洋动力学理论，结合Aqwa有限元软件，计算得到极端工况下半潜式生产平台所受风载荷、海流载荷及波浪载荷，以期为半潜式生产强度安全计算提供载荷依据。
1 半潜式生产平台联合载荷计算结果1.1 浮力及舱压（1）重力平台重力可通过施加重力加速度g（9.8m/s）来实现，在有限元模型模拟中，需要但平台需要设置合理的板、梁以及质量单元准确模拟相应结构和设备。
（2）浮力及舱压平台所承受的浮力通过施加在船体外板上的静水压力考虑，在有限元模型模拟中，以Z坐标为变量，设置平台梯度面压，如下图1 a所示为平台浮力设置情况示意图。
平台内舱液压包括压载水、液态产品如凝析油、污水等、淡水和柴油。
根据对应吃水时平台的各舱室装载\压载情况，分别计算出梯度压强施加到相应舱室的舱底和舱壁构件上。
计算结果如下图1 b所示。
a 平台静水压加载工况b 平台舱压加载工况图1 平台浮力及舱压计算云图1.2 系泊力与流力系泊力指系泊缆的顶部张力，基于对应环境工况，通过ANSYS Aqwa模块进行水动力计算，得到系泊力计算结果，并根据设计方位角和分离角计算得到一个沿着系泊缆方向的水平拉力，以及一个从导缆器指向立柱定的垂向力。
导管架平台冰振特征分析及冰振风险应对措施
导管架平台冰振特征分析及冰振风险应对措施WU Qibing;ZHANG Shichao【摘要】冰激振动是威胁海冰区海洋石油导管架平台结构安全的主要因素.为分析导管架平台冰振特征,采用ABAQUS有限元软件对C平台的动力响应进行数值模拟,得到平台的振动模态等参数.结合监测及仿真数据对比分析表明:平台结构基频与平台所处区域冰力频率相近,会产生明显的共振现象.针对导管架平台冰振特征分析结果,提出了包括预警、监测、结构改造及配置冲冰装置等几种应对措施,现场应用显示抗冰效果明显,对冰区导管架平台冰期风险管理有一定指导意义.【期刊名称】《石油工程建设》【年(卷),期】2019(045)001【总页数】4页(P46-49)【关键词】导管架平台;有限元;模态分析;冰振监测;应对措施【作者】WU Qibing;ZHANG Shichao【作者单位】;【正文语种】中文渤海辽东湾海域冬季冰情严重，海冰在导管架平台的堆积及其对平台结构的撞击给海洋石油开发生产带来诸多安全隐患[1]。
其中持续的冰激振动可引起平台剧烈振动，长久作用下甚至会引发结构失效。
赵海培等[2-3]运用仿真计算分析了固定式平台的自振特征，王译鹤等[4-5]利用振动监测技术实地监测平台区域的冰激频率。
但目前研究重点多在振动机理及振动特征的研究方面，关于冰振作用下平台的预防性应对措施研究较少且不够完善[6-7]。
本文以辽东湾某导管架平台为例，利用有限元方法进行模态分析，计算结构的自振频率等动力特性，结合平台结构振动监测响应分析振动风险，为有效避免共振所带来的结构损伤和破坏提供参考依据。
此外针对辽东湾海冰期冰情特点，提出了多种操作性强的风险应对措施。
1 冰振作用下平台动力特性分析1.1 平台自振特征分析要研究导管架采油平台在海冰作用下的动力特性，主要通过有限元方法进行平台的模态计算[8]。
由于目标平台模型复杂，且包含大变形的几何非线性计算，因此选用ABAQUS软件进行分析，其强大的非线性求解能力可以很好地解决计算模型不收敛问题。
基于现场实测数据的半潜式平台运动响应分析和极值预测研究
㊀㊀文章编号：１００５⁃９８６５（２０２２）０１⁃００５７⁃０８基于现场实测数据的半潜式平台运动响应分析和极值预测研究孙刘璐１，于思源１，武文华１，２，谢㊀彬３，王世圣３（１．大连理工大学运载工程与力学学部工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连㊀１１６０２４；２．大连理工大学宁波研究院，浙江宁波㊀３１５０００；３．中海石油（中国）有限公司研究总院，北京㊀１０００２７）摘㊀要：浮式平台承受风浪流等多种海洋环境载荷作用，呈现出复杂的运动学响应状态㊂通过对 南海挑战号 半潜式平台的实测六自由度响应数据进行分析，采用广义极值分布建立六自由度响应的概率密度和分布模型，并通过Ｋ⁃Ｓ（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ⁃Ｓｍｉｒｎｏｖ）检验验证了分布模型的合理性，进而开展了对该平台多年一遇重现期的六自由度响应极值预测研究㊂通过与平台的初始设计指标进行对比，发现平台的横荡㊁纵荡等五个自由度表现良好，而垂荡的响应极值超出设计指标，在现场作业中应予以注意研究成果对平台的安全作业具有辅助指导意义，可将预测结果作为极端恶劣海况下，人员提前撤离的辅助决策支持㊂通过更新平台的监测数据进行极值分析和预测研究可评估平台的性能变化行为㊂关键词：半潜式平台；六自由度响应；广义极值分布；Ｋ⁃Ｓ检验；极值预测中图分类号：Ｐ７５１㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ：１０．１６４８３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５⁃９８６５．２０２２．０１．００７收稿日期：２０２１⁃０１⁃１９基金项目：国家自然科学基金（１１５７２０７２）；自由探索类基础研究项目（２０２１Ｓｚｖｕｐ０２１，ＤＵＴ２０ＺＤ２１３，ＤＵＴ２０ＬＡＢ３０８）作者简介：孙刘璐（１９９７⁃），女，安徽淮北人，硕士研究生，主要从事监测数据分析处理研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：８３５６１０３１９＠ｑｑ．ｃｏｍ通信作者：武文华（１９７３⁃），博士，教授，主要从事海洋工程结构健康监测研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｘｙｕｈｕａ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎＭｏｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｅｍｉ⁃ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａＳＵＮＬｉｕｌｕ１，ＹＵＳｉｙｕａｎ１，ＷＵＷｅｎｈｕａ１，２，ＸＩＥＢｉｎ３，ＷＡＮＧＳｈｉｓｈｅｎｇ３（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｉｎｇｂｏＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５０００，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＣＮＯＯＣ）ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｆｆｓｈｏｒｅｆｌｏａｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｅｘｈｉｂｉｔｓａｃｏｍｐｌｅｘｋｉｎｅｍａｔｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｃｔｉｏｎｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｍａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｏａｄｓｓｕｃｈａｓｗｉｎｄ，ｗａｖｅｓａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｓ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｔｈｅｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｉｘ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｔｉｏｎｄａｔａｏｎｔｈｅ ＮａｎｈａｉＴｉａｏｚｈａｎ ｓｅｍｉ⁃ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｓｏｆｔｈｅｓｉｘ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｔｉｏｎｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅＫ⁃Ｓ（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ⁃Ｓｍｉｒｎｏｖ）ｔｅｓｔｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｅａｃｈｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗ．Ｔｈｅｎｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｘ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｔｉｏｎｉｓｍａｄｅｗｉｔｈｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｔｕｒｎｐｅｒｉｏｄｓ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｄｅｓｉｇｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｆｉｖｅ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍ，ｓｕｃｈａｓｓｗａｙｉｎｇ，ａｎｄｓｗａｙｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍｗｅｌｌ，ｂｕｔｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｈｅａｖｅｅｘｃｅｅｄｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｎｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｄｕｒｉｎｇｆｉｅｌｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏ．Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｈａｓｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆａｕｘｉｌｉａｒｙｇｕｉｄａｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｒｅｓｕｌｔｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｎａｕｘｉｌｉａｒｙｄｅｃｉｓｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｅａｒｌｙｅｖａｃｕａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｓｏｎｎｅｌｕｎｄｅｒｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｅｖｅｒｅｓｅａｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｂｙｕｐｄａｔｉｎｇｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｏｆｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｈａｎｇｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｃａｎｂｅｅｖａｌｕａｔｅｄ．第４０卷第１期２０２２年１月海洋工程ＴＨＥＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．４０Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０２２Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉ⁃ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｌａｔｆｏｒｍ；ｓｉｘ⁃ｄｅｇｒｅｅｓ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｍｏｔｉｏｎｓ；ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ⁃ｓｍｉｒｎｏｖｔｅｓｔ；ｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ近年来，国际上对海洋油气资源开发日益关注，海洋浮式平台成为深远海油气开采的主力装备㊂半潜式平台（ｓｅｍｉｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｌａｔｆｏｒｍ）具有良好的运动性能，广泛应用于世界各个海域的海洋石油开采㊂半潜式平台在深海中承受海洋环境荷载作用，尤其在台风等极端天气下，半潜式平台将可能发生稳性失效或结构的屈服㊁屈曲和疲劳等强度失效行为，如发生管线或杆件等结构断裂或浮筒结构的破损等事故，可能导致人员伤亡以及巨额的财产损失㊂目前对海洋平台多年一遇响应极值的研究大多基于水动力学数值模拟或缩比水池试验㊂Ｓｅｎ［１］和Ｑｉｕ等［２］利用时域格林函数对水面和水下浮体在波浪作用下大幅运动进行研究；Ｚｈａｎｇ和Ｂｅｃｋ［３］对瞬时大幅运动开展研究，基于研究成果开发了程序；Ｒａｎ等［４］和Ｌａｋｅ等［５］基于水动力模型试验对半潜式平台在波浪作用下的运动特性开展了研究㊂由于模型边界条件的简化㊁比尺效应以及现场条件和模拟条件的不一致性等，数值模拟与模型试验结果难以直接应用于工程设计与校核㊂现场原型监测方法作为一种直接㊁有效的研究手段，通过从现场获得的常年载荷和响应监测数据，与概率统计等方法紧密结合，可以为水动力学仿真分析提供参考，为平台的安全作业提供支持㊂ＢＭＴ公司在１９８７年对一座服役的ＴＬＰ平台 ＪｏｌｉｅｔＴＬＷＰ平台进行了最早的浮式平台在位测量工作，对环境荷载参数（风㊁波浪和海流）和浮体六自由度运动情况进行测量［６］；挪威建立了第一座混凝土船体的ＴＬＰ平台（ＨｅｉｄｒｕｎＴＬＰ），构建了一套与平台使用寿命相当的原型测量系统，用于收集平台的环境信息㊁张力腿张力和运动响应信息，获得的实测数据用于对浮体在恶劣海洋环境中运动行为开展研究［７］；魏跃峰等［８］对 南海奋进号 ＦＰＳＯ开展了连续２年的现场测量，对南海ＦＰＳＯ运动行为进行了研究㊂基于 南海挑战号 半潜式平台六自由度监测数据开展统计分析，利用广义极值分布拟合每日浮体六自由度响应极值的分布规律，进而开展了不同重现期下的响应极值预测研究，并基于多年一遇的极值预测结果与平台设计指标对比，分析结果对平台的作业具有指导意义㊂１㊀半潜式平台现场监测和运动响应分析１．１㊀半潜式平台现场监测介绍南海挑战号 ＦＰＳ是我国生产型半潜式生产平台，位于南海流花海域，流花油田的开发模式由水下生产系统㊁半潜式浮体㊁海底管线和浮式储／输油轮（ＦＰＳＯ）等组成，平台工作水深为２６０ ３０５ｍ㊂自２０１１年以来，在 南海挑战号 ＦＰＳ建立了原型监测系统，开展了原型监测工作，为我国３００ｍ水深油气资源开发积累了原始现场数据［９］㊂ 南海挑战号 ＦＰＳ监测系统布局如图１所示㊂图１㊀ 海挑战号 ＦＰＳ监测系统布局Ｆｉｇ．１㊀Ｇｌｏｂａｌｌａｙｏｕｔｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂｕｉｌｔｉｎ ＮａｎｈａｉＴｉａｏｚｈａｎ ＦＰＳ对于平台六自由度响应信息的现场监测，采用惯性导航系统（ｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，简称ＩＮＳ）测量浮体的横摇㊁纵摇和艏摇信息，同时，利用双ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）天线对ＩＮＳ系统的长期累积误差进行修订，精度为０．１ʎ；采用星际差分ＧＰＳ测量平台浮体的相对地理坐标系的定位和高程，并转化成平台浮体８５海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第４０卷的横荡㊁纵荡和垂荡，其中横荡㊁纵荡测量精度为厘米级，垂荡测量精度为４０ｃｍ㊂惯导与ＧＰＳ系统安装于船艏监测站内，其外接两个天线安装于监测站顶部，间距约为３ｍ㊂图２给出了某日平台的六自由度原始监测数据㊂图２㊀半潜式平台六自由度响应典型样本数据Ｆｉｇ．２㊀Ｔｙｐｉｃａｌ６⁃ＤＯＦｓｓａｍｐｌｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｏｆｓｅｍｉｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｌａｔｆｏｒｍ１．２ 平台六自由度响应监测数据分析１．２．１㊀平台六自由度响应数据数据采集自 南海挑战号 半潜式平台２０１３至２０１４一年的六自由度响应数据，提取每日的横摇㊁纵摇㊁艏摇㊁横荡㊁纵荡和垂荡的极值㊂１．２．２㊀数据处理过程１）选取平台一年实测六自由度响应数据，对监测数据中的异常值进行数据清洗和更正处理；２）对实测的平台经度㊁纬度㊁高度数据进行坐标转换，得到平台的横荡㊁纵荡㊁垂荡三个自由度数据；３）选取六自由度响应的每日极值整理成数据集㊂在海洋工程的极值预测中，常采用Ｗｅｉｂｕｌｌ㊁Ｇｕｍｂｅｌ等极值分布模型㊂但海洋环境荷载多变以及平台结构响应复杂，每个自由度适用的模型可能不同㊂广义极值分布模型具有三个待定参数，相比于Ｇｕｍｂｅｌ等模型具有更高的适应性，因此得到了广泛的应用㊂金光炎［１０］详细地探讨了广义极值分布的统计特性，首次研制了该分布的离均系数表，并给出了水文频率计算中的示例；刘聪等［１１］引入广义极值分布模型，给出该模型参数的极大似然估计的计算公式，由此导出设计基本风速及其置信上限的计算方法，并采用南通气象观测站的年最大风速资料进行实证研究；谢波涛［１２］采用了多维复合极值分布理论，根据显著波高推算波峰高度并与天文潮㊁风暴潮等叠加，计算不同联合重现期的平台高度㊂标准的广义极值分布分为３种：Ⅰ型Ｇｕｍｂｅｌ分布㊁Ⅱ型Ｆｒｅｃｈｅｔ分布㊁Ⅲ型Ｗｅｉｂｕｌｌ分布㊂函数定义为：Ｆｘ（ｘ）＝Ｐ｛Ｘ＜ｘ｝＝ｅｘｐ－１＋ξｘ－μσæèçöø÷éëêêùûúú－１ξ{}，㊀㊀ξʂ０ｅｘｐ－ｅｘｐｘ－μσæèçöø÷éëêêùûúú，㊀㊀㊀㊀㊀ξ＝０ìîíïïïï（１）９５第１期孙刘璐，等：基于现场实测数据的半潜式平台运动响应分析和极值预测研究式中：ｘ为每日响应极值；μ，ξɪＲ，μ为位置参数；σ为尺度参数，σ＞０；ξ为形状参数㊂ξ＝０时，为Ⅰ型Ｇｕｍｂｅｌ分布；ξ＞０时，为Ⅱ型Ｆｒｅｃｈｅｔ分布；ξ＜０时，为Ⅲ型Ｗｅｉｂｕｌｌ分布㊂三种极值分布各有特点：Ｗｅｉｂｕｌｌ分布值存在上限，意味着其最大值不能超过一个固定值，Ｆｒｅｃｈｅｔ分布概率密度分布函数比Ｇｕｍｂｅｌ概率密度分布尾部更长，从而大极值出现的可能性更大㊂通过对三种类型极值分布函数的统一，解决了只能用一种分布模型的局限性［１３］㊂通常无法通过六自由度响应拟合的形态判断响应符合某种特定分布，需要利用拟合优度检验的方法，来检验六自由度响应是否符合广义极值分布㊂皮尔逊χ２检验能够检验观察到的频率分布是否服从于某种理论上的分布，即某一实际的随机变量分布与某一理论分布之间的差异是否显著，可以用来确定某种具体的概率分布是否符合某种理论分布㊂但皮尔逊检验依赖于区间划分，即使原假设Ｈ０ʒＦ（ｘ）＝Ｆ０（ｘ）不成立，在某种划分下还是可能有Ｆ（ａｉ）－Ｆ（ａｉ－１）＝Ｆ０（ａｉ）－Ｆ０（ａｉ－１）＝ｐｉ，ｉ＝１，２， ，ｋ，从而接受错误的原假设㊂Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ⁃Ｓｍｉｒｎｏｖ对连续型总体的分布提出了一种检验方法，简称Ｋ⁃Ｓ检验㊂这种检验方法用来比较样本经验分布函数Ｆ∗ｎ（ｘ）和总体分布函数Ｆ（ｘ）之间的误差情况㊂它不是在划分区间上考虑Ｆ∗ｎ（ｘ）与原假设的分布函数之间的偏差，而是在每一点上考虑偏差，因此克服了皮尔逊检验的依赖区间划分的缺点㊂假设连续分布函数为Ｆ（ｘ），Ｋ⁃Ｓ检验的步骤如下：①从一年内的六自由度响应数据总体抽取容量为ｎ＝３６５的每日极值样本，并把样本观测值按由小到大的次序排列；②求出经验分布函数Ｆ∗ｎ（ｘ）＝０，㊀㊀㊀ｘ＜ｘ（１）ｎｊ（ｘ）ｎ，㊀㊀ｘ（ｊ）ɤｘ＜ｘ１，㊀㊀㊀㊀ｘ（ｋ）ɤｘìîíïïïï（ｊ＋１），ｊ＝１，２， ，ｎ（２）③假定每日六自由度响应极值服从某一分布规律，计算观测值处的每日响应极值理论分布函数Ｆ（ｘ）的值；④对每一个响应极值ｘｉ算出经验分布函数与理论分布函数的差的绝对值：｜Ｆ∗ｎ（ｘｉ）－Ｆ（ｘｉ）｜与｜Ｆ∗ｎ（ｘｉ＋１）－Ｆ（ｘｉ）｜；⑤计算检验统计量Ｄｎ，Ｄｎ＝ｓｕｐ－ɕ＜ｘ＜＋ɕ｜Ｆ∗ｎ（ｘ）－Ｆ（ｘ）｜＝ｍａｘ｛｜Ｆ∗ｎ（ｘｉ）－Ｆ（ｘｉ）｜，｜Ｆ∗ｎ（ｘｉ＋１）－Ｆ（ｘｉ）｜｝，ｉ＝１，２， ，ｋ；⑥给出显著性水平α，由Ｋ⁃Ｓ检验的临界值表查出Ｐ（Ｄｎ＞Ｄｎ，α）＝α的临界值Ｄｎ，α，当ｎȡ１００时，可通过Ｄｎ，αʈλ１－αｎ，查Ｄｎ的极限分布函数数值表得λ１－α，从而求出Ｄｎ，α的值；⑦若由⑤算出的Ｄｎ＞Ｄｎ，α，则拒绝原假设，若ＤｎɤＤｎ，α，则接受原假设，并认为原假设的理论分布函数可以用于拟合样本数据的分布，六自由度响应极值符合假定的分布㊂１．２．３㊀响应的分析结果和结论基于上述的极值分布理论，对一年的六自由度响应进行分析㊂以横荡为例，取每日横荡极值作为研究目标，统计一年内的基本统计信息（均值㊁极值㊁极差㊁方差㊁偏度㊁峰度），如表１所示，可以发现横荡在一年中的平均值为２．４４２ｍ，极值达到４．８６０ｍ，极差与方差的值较大，说明在一年内海洋环境复杂多变；偏度为正值，因此分布的形态为正偏；峰度小于３，因此分布相较于高斯分布平缓㊂综合以上的特征，也说明选取广义极值分布的合理性㊂表１㊀横荡统计值Ｔａｂ．１㊀Ｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｓｗａｙｍｏｔｉｏｎ均值／ｍ极值／ｍ极差／ｍ方差偏度峰度２．４４２４．８６０４．３７３０．９４７０．３７０２．７３０㊀㊀选择置信度为０．９５，假设横荡符合广义极值分布的情况下，样本经Ｋ⁃Ｓ检验通过，可以认为，平台的横荡服从广义极值分布㊂其中，三个参数分别为ξ＝－０．１７２，σ＝０．８９４，μ＝２．０５４，属于Ｗｅｉｂｕｌｌ分布㊂概率密度以０６海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第４０卷及概率分布如图３所示，从图３中可以看出，横荡的极值在一年中的分布可以认为服从广义极值分布，拟合效果较好㊂图３㊀横荡概率密度及分布Ｆｉｇ．３㊀Ｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｗａｙ用上述的方法处理纵荡㊁垂荡㊁横摇㊁纵摇㊁艏摇，均通过置信度为０．９５的Ｋ⁃Ｓ检验，得到的概率密度与概率分布如图４所示㊂表２给出了平台六个自由度监测响应的每日极值分布所拟合出的参数以及分布类型㊂表２㊀六自由度响应分布参数及分布类型Ｔａｂ．２㊀Ｓｉｘ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｒｅｓｐｏｎｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｙｐｅｓ响应ξσμ偏度偏态分布类型横荡－０．１７２０．８９４２．０５４０．３７１右偏Ｗｅｉｂｕｌｌ纵荡－０．１４４１．３４８２．５５００．３８３右偏Ｗｅｉｂｕｌｌ垂荡－０．２９２０．２８５０．６６２－０．０３６左偏Ｗｅｉｂｕｌｌ横摇－０．３５６０．３８０１．７９１－０．２３６左偏Ｗｅｉｂｕｌｌ纵摇－０．３４００．５３０１．３１７－０．０７０左偏Ｗｅｉｂｕｌｌ艏摇－０．０３９４０．４７２０．７４００．８０４右偏Ｇｕｍｂｅｌ㊀㊀从表２中偏态参数可以看出，横荡㊁纵荡㊁艏摇属于右偏分布，其右端的尾部较长，均值集中在左侧值较小的部分；而垂荡㊁横摇㊁纵摇为左偏分布，均值集中在右侧值较大的部分㊂通过ξ可知，除艏摇服从Ｇｕｍｂｅｌ分布外，其余响应均服从Ｗｅｉｂｕｌｌ分布㊂２㊀平台六自由度响应的极值预测２．１㊀六自由度响应多年一遇极值预测海洋环境和结构响应的复杂性导致海洋平台在作业中常常面临失效风险㊂海洋平台除了面临结构疲劳损伤问题外，还因本身浮式结构运动响应而面临着更为复杂的结构失效问题㊂据统计，其中我国海洋平台由于响应过大而引起的失效就有数例㊂１９７９年１１月，中国渤海２号平台在拖航作业中失稳㊁倾覆，造成７２人死亡；２０１０年９月，中国胜利油田３号平台倾斜４５ʎ，造成１人失踪㊂基于上述响应过大导致的平台失效，对平台六自由度响应进行极值预测，计算在不同重现期下，平台对应的六自由度响应极值㊂重现期是指在一定数据记录统计时段内，大于或等于某水文变量在较长时期内重复出现的平均时间间隔，常以多少年一遇表达㊂把重现期的概念引入到本例中响应分析上来，计算多年一遇所对应的响应极值㊂设每日响应极大值ｘ的概率密度函数为ｆ（ｘ），其分布函数Ｆ（ｘ）为：Ｆ（ｘɤｘｐ）＝ｘｐ－ɕｆ（ｘ）ｄｘ（３）１６第１期孙刘璐，等：基于现场实测数据的半潜式平台运动响应分析和极值预测研究２６海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第４０卷㊀㊀Ｎ年一遇的响应极大值ｘｐ出现的概率为Ｐ（ｘ），其计算公式：Ｐ（ｘ）＝Ｐ（ｘȡｘｐ）＝１－Ｐ（ｘɤｘｐ）＝１－Ｆ（ｘ）＝１Ｔ（４）因此，重现期为Ｔ＝１１－ʏｘｐ－ɕｆ（ｘ）ｄｘ㊂图４㊀各自由度概率分布及概率密度Ｆｉｇ．４㊀Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆｅａｃｈｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍ利用广义极值分布模型，对六自由度响应进行１年一遇㊁１０年一遇㊁２５年一遇，５０年一遇，１００年一遇的重现期极值预测，具体数值如表３所示㊂表３㊀平台六自由度响应在不同重现期下的极值Ｔａｂ．３㊀Ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍ ｓｓｉｘｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍｒｅｓｐｏｎｓｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｔｕｒｎｐｅｒｉｏｄｓ自由度１年一遇１０年一遇２５年一遇５０年一遇１００年一遇横荡／ｍ５．３７５．９８６．１７６．２９６．４０纵荡／ｍ７．９１９．０４９．３９９．６３９．８５垂荡／ｍ１．４６１．５５１．５７１．５８１．５９横摇／（ʎ）２．７３２．８０２．８２２．８３２．８４纵摇／（ʎ）２．６７２．７８２．８１２．８２２．８３艏摇／（ʎ）３．２３４．０５４．３６４．５８４．８０２．２㊀六自由度响应极值预测和设计指标的对比分析半潜式平台具有良好的运动性能，在正常作业情况下，半潜式平台垂荡量不大于１．５ｍ，横㊁纵荡响应不大于水深的７％，横㊁纵摇不大于３ʎ㊂按照南海水深为３００ｍ为例，计算出横纵荡的数值应在２０ｍ以内，具体参数如表４所示㊂表４㊀百年一遇平台六自由度响应设计指标和预测结果对比㊀Ｔａｂ．４㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｘ⁃ｄｅｇｒｅｅ⁃ｏｆ⁃ｆｒｅｅｄｏｍｒｅｓｐｏｎｓｅｄｅｓｉｇｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｏｎｃｅ⁃ｉｎ⁃ａ⁃ｃｅｎｔｕｒｙｐｌａｔｆｏｒｍ响应横荡／ｍ纵荡／ｍ垂荡／ｍ横摇／（ʎ）纵摇／（ʎ）艏摇／（ʎ）上限值２０．０２０．０１．５３．０３．０／预测结果６．４０９．８５１．５９２．８４２．８３４．８０㊀㊀对比设计指标可以发现，平台的横荡自由度表现良好，其百年一遇预测值为６．４０ｍ，为水深的２．１％，小于平台的极端海况设计指标㊂纵荡自由度的百年一遇预测值为９．８５ｍ，为水深的３．２８％，同样小于平台的极端海况设计指标㊂垂荡在１０年一遇重现期下已达到１．５５ｍ，超过了其百年一遇设计指标１．５ｍ㊂在１００年一遇重现期下的预测值为１．５９ｍ，超过了设计值７％，将可能对海洋平台装备的垂荡相关作业造成影响㊂横摇与纵摇自由度百年一遇极值分别为２．８４ʎ和２．８３ʎ，略小于平台的极端海况设计指标３．０ʎ㊂３㊀结㊀语半潜式平台在深海中遭受的海洋环境荷载复杂，平台运动响应一旦超出设计指标，将导致平台的结构失效，带来经济损失㊂基于在 南海挑战号 ＦＰＳ的一年监测数据开展六自由度响应分析和极值预测研究，结论如下：１）通过分析半潜式平台的六自由度响应，引入广义极值分布模型，对一年的响应数据开展分布规律分析，经Ｋ⁃Ｓ检验，除艏摇符合Ｇｕｍｂｅｌ分布外，其余响应均符合Ｗｅｉｂｕｌｌ分布㊂２）对重现期１年㊁１０年㊁２５年㊁５０年㊁１００年的响应极值进行预测，并与设计指标进行对比，发现平台的横荡㊁纵荡等五个自由度表现良好；而垂荡在１０年一遇的极值预测时，已经超过了设计指标１．５ｍ，高于平台初始设计指标，如现场作业与垂荡有关时，应予以注意㊂３）利用 南海挑战号 ＦＰＳ实测响应数据，分析响应的分布规律并预测多年一遇极值，对于平台的安全作业㊁预警十分重要，可将预测结果作为极端恶劣海况下，人员提前撤离的辅助决策支持㊂通过更新平台的监测数据进行极值分析和预测研究可评估平台的性能变化行为㊂４）由于实测数据量为一年周期，对于较长重现期的响应预测，可能出现极值分布模型的参数误差㊂随３６第１期孙刘璐，等：基于现场实测数据的半潜式平台运动响应分析和极值预测研究４６海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第４０卷着监测周期的增加，监测数据的逐渐丰富，文中所发展的响应分析和极值预测方法可以得到更为准确的长期极值预测结果㊂参考文献：［１］㊀ＳＥＮＤ．Ｔｉｍｅ⁃ｄｏｍａｉｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅ３Ｄｓｈｉｐｍｏｔｉｏｎｓｗｉｔｈｆｏｒｗａｒｄｓｐｅｅｄ［Ｊ］．ＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，２９（８）：９７３⁃１００２．［２］㊀ＱＩＵＷ，ＰＥＮＧＨ．Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇｌａｒｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｍｏｔｉｏｎｓｏｆａｆｌｏａｔｉｎｇｏｆｆｓｈｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＯｆｆｓｈｏｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆ＡｒｃｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００８：８２３⁃８２９．［３］㊀ＺＨＡＮＧＸ，ＢＥＣＫＲＦ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｆｏｒｌａｒｇｅ⁃ａｍｐｌｉｔｕｄｅｔｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｏｄｙｍｏｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，２００７，５８（１⁃４）：１７７⁃１８９．［４］㊀ＲＡＮＺ，ＫＩＭＭＨ，ＮＩＥＤＺＷＥＣＫＩＪＭ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆａｓｐａｒｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｒａｎｄｏｍｗａｖｅｓａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｓ（ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｖｓ．ｔｈｅｏｒｙ）［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｆｆｓｈｏｒｅ＆ＰｏｌａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，６（１）：２７⁃３４．［５］㊀ＬＡＫＥＭ，ＨＥＨ，ＴＲＯＥＳＣＨＡＷ，ｅｔａｌ．ＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｆｏｒＴＬＰａｎｄｓｐａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｆｆｓｈｏｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＡｒｃｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，１２２（２）：１１８⁃１２４．［６］㊀ＰＥＴＥＲＳＤＪＨ，ＺＩＭＭＥＲＲＡ，ＨＥＩＮＮＷ，ｅｔａｌ．Ｗｅｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｎｄｉｎ⁃ｓｉｔｕｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴＬＷＰ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＯｆｆｓｈｏｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９０：１８１⁃１９４．［７］㊀ＴＥＩＧＥＮＰ，ＨＡＶＥＲＳ．ＴｈｅＨｅｉｄｒｕｎＴＬＰ：ｍｅａｓｕｒｅｄｖｅｒｓｕｓｐｒｅｄｉｃｔｅｄｒｅｓｐｏｎｓｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＯｃｅａｎＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９８，２０（１⁃２）：２７⁃３５．［８］㊀魏跃峰，杨建民，陈刚，等．ＦＰＳＯ运动实测数据统计研究 南海奋进号 ＦＰＳＯ实船测量研究Ⅰ［Ｊ］．海洋工程，２０１１，２９（３）：９６⁃１０１．（ＷＥＩＹｕｅｆｅｎｇ，ＹＡＮＧＪｉａｎｍｉｎ，ＣＨＥＮＧａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｍｏｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ ＮａｎｈａｉＦｅｎｊｉｎ ＦＰＳＯｂａｓｅｄｏｎｆｕｌｌｓｃａｌｅ［Ｊ］．ＴｈｅＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，２９（３）：９６⁃１０１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［９］㊀靳扬．基于原型监测的浮式平台动力性能分析［Ｄ］．大连：大连理工大学，２０１６．（ＪＩＮＹａｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｆｌｏａｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎｐｒｏｔｏｔｙｐｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［１０］金光炎．广义极值分布及其在水文中的应用［Ｊ］．水文，１９９８（２）：９⁃１５．（ＪＩＮＧｕａｎｇｙａｎ．Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｈｙｄｒｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，１９９８（２）：９⁃１５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［１１］刘聪，秦伟良，江志红．基于广义极值分布的设计基本风速及其置信限计算［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２００６，３６（２）：３３１⁃３３４．（ＬＩＵＣｏｎｇ，ＱＩＮＷｅｉｌｉａｎｇ，ＪＩＡＮＧＺｈｉｈｏｎｇ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｄｅｓｉｇｎｂａｓｉｃｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｉｔｓｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅｌｉｍｉｔｓｂａｓｅｄｏｎｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ，２００６，３６（２）：３３１⁃３３４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［１２］谢波涛．台风／飓风影响海区固定式平台设计标准及服役期安全度风险分析［Ｄ］．青岛：中国海洋大学，２０１０．（ＸＩＥＢｏｔａｏ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｎｄｄｙｎａｍｉｃｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｔｙｐｈｏｏｎ／ｈｕｒｒｉｃａｎｅａｆｆｅｃｔｅｄｒｅｇｉｏｎ［Ｄ］．Ｑｉｎｇｄａｏ：ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，２０１０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［１３］陈兴旺．广义极值分布理论在重现期计算的应用［Ｊ］．气象与减灾研究，２００８，３１（４）：５２⁃５４．（ＣＨＥＮＸｉｎｇｗａｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｅｘｔｒｅｍｅｖａｌｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｒｅｔｕｒｎｐｅｒｉｏｄｓ［Ｊ］．ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙａｎｄＤｉｓａｓｔｅｒＲｅｄｕｃｔｉｏｎ，２００８，３１（４）：５２⁃５４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））。
极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台有限元分析
极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台有限元分析导管架式海洋平台是一种常见的海洋工程结构，用于支撑海底管道和设备，具有抗冲击和稳定性好的特点。
然而，在极寒环境下，海洋工程结构面临的主要挑战是冰的载荷作用，因此需要进行有限元分析来评估结构的稳定性和安全性。
本文将对极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台进行有限元分析。
首先，需要建立一个合适的有限元模型来描述海洋平台的几何形状和材料属性。
然后，引入冰的载荷作用，并将其施加在海洋平台的上部结构上。
根据实际情况，可以选择不同的冰载荷作用模型，如冰块撞击、冰覆盖等。
在加载过程中，可以监测结构的位移、应力和变形等参数。
接下来，可以使用合适的有限元软件进行数值计算，如ABAQUS、ANSYS等。
在计算过程中，需要考虑材料的本构关系和边界条件。
在边界条件方面，可以选择固定边界、自由边界或多自由边界。
根据实际情况，还可以对模型进行网格剖分和单元类型选择等预处理。
在计算得到结构的位移、应力和变形等结果后，可以对结构的安全性和稳定性进行评估。
常见的评估方法包括静态强度分析、动力响应分析和疲劳寿命评估等。
在评估过程中，需要根据设计标准和规范，对结构的破坏准则、失稳准则等进行分析。
最后，可以根据有限元分析的结果，提出相应的优化建议。
对于存在问题的部分，可以考虑增强结构的刚度或加强冰的防护措施等。
同时，还可以针对不同的冰载荷情况进行参数研究，为冰工程的设计和施工提供科学依据。
综上所述，极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台的有限元分析是一项复杂而重要的工作。
通过合适的建模和计算方法，可以评估结构的稳定性和安全性，并提出相应的优化建议，为海洋工程的设计和施工提供依据。
基于ABAQUS的拖锚载荷对海底管线的影响研究
用Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ软件对上述 两种作 用方式进行数值模 拟． 撞击 分析 中， 利 用数 值模 型分析 了管壁厚 度、 管线 长度 对最终 凹痕深度 的影 响， 并与其他撞击形式 、 规范计算值进 行 了对 比． 拖 曳分析 中， 重 点探 讨 了海床 土壤 性质 的影响． 结果
表明 ， 拖 锚 对 海 底 管 线 的 撞 击作 用影 响 相 对 较 小 ， 平 铺 于砂 质 海床 上 的 管 线 最 大 拖 曳 力 计 算值 更 大． 应用 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ａ ｎ ｃ ｈ ｏ ｒ ｄ ｒ ａ ｇ ｇ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ｓ ｕ ｂ ｍａ ｒ ｉ ｎ ｅ ｐ ｉ ｐ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＢ ＡＱＵＳ
Ｌ ＡＮ Ｔ ｉ ａ ｎ，ＹＵ Ｊ ｉ ａ ｎ — ｘ ｉ ｎ ｇ ，Ｚ ＨＡＮＧ Ｙｉ ｎ ｇ，Ｌ Ｉ Ｎ Ｘｉ ａ ｏ — ｌ ｏ ｎ ｇ ，Ｚ ＨＡＯ Ｙｉ — ｙ ｕ，Ｆ ＡＮ Ｚ ｈ ｉ — ｙ ｕ ａ ｎ
的有 限元模型研 究海底 管线的抗锚害 问题切 实可行 ， 对于管线设计 、 提 高管线安全性有一定指导意义．
关键词 ： 海 底管线 ； 拖锚 ； Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ ；凹痕深度 ； 碰撞
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｅ ８ ８ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ － ０ ９ ５ Ｘ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． ０ ０ １
导管架平台海上安装接口软件Sacs2Abaqus设计
导管架平台海上安装接口软件Sacs2Abaqus 设计作者：祁磊孙宝龙曹先凡姚志广赵开龙来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：介绍导管架平台海上安装接口软件Sacs2Abaqus的设计.Sacs2Abaqus软件能够将SACS的计算结果转化为Abaqus的后处理模型和结果.该软件能够实现导管架模型转化、导管架平台建造、装船、拖航、吊装和滑移下水等SACS模型和结果的处理.所完成的程序能够以动画云图等形式动态显示导管架安装施工的整个过程.这对于导管架设计中发现实际问题具有非常大的帮助.关键词： Sacs2Abaqus； Abaqus； SACS；导管架中图分类号： TE951；TB151.1文献标志码： B引言SACS软件对导管架平台的设计建模非常强大，能够进行导管架滑移下水建造装船等安装过程的分析，但其后处理不直观，仅以数据的形式给出导管架安装过程中结构的响应.Abaqus 等通用有限元软件后处理功能非常强大，能够以云图和动画等形式对应力、应变和位移加速度等进行直观显示.同时，允许用户对结果进行重新计算和分析.由于SACS软件与Abaqus之间没有通用接口，不能共享数据及结果，因此本文借助这2个软件开发一款能够直观模拟导管架平台安装施工过程的专用接口软件Sacs2Abaqus，对导管架平台海上安装过程的力响应和姿态响应进行仿真.Sacs2Abaqus软件主界面采用C++语言编写，相应模块采用Python语言进行编写.该软件主要包括导管架模型转化模块、导管架建造模块、导管架装船模块、导管架拖航模块、导管架吊装模块和滑移下水模块等6个模块.1模块设计该软件的6个相互独立的功能模块可以独立地完成对SACS模型和结果的转化.6个模块按输出结果的类型主要分为2类.（1）姿态结果输出，包括导管架吊装模块和滑移下水模块.（2）应力等响应结果输出，包括导管架建造模块、导管架装船模块和导管架拖航模块等.1.1导管架滑移下水和吊装模块设计滑移下水模块各子模块相互关系见图1.导管架滑移下水及吊装模块主要输出导管架安装过程中的运动姿态.导管架滑移下水程序模块主要由8个子程序模块构成，各子模块主要作用如下.（1）Main_launch主程序模块：调用其他模块数据，并将其转换为odb格式的导管架模型和结果视图.（2）jacket导管架模型模块：主要作用是搜索并读入SACS模型数据，并按照一定数据格式保存以备调用.（3）Phases_motions模块：主要作用是根据读取的滑移下水姿态数据识别滑移下水不同阶段，将其进行重新转换计算，以备其他模块调用.（4）barge驳船模型模块：根据jacket模型生成驳船模型数据.（5）barge_location驳船定位模块：根据导管架的位置对驳船进行定位.（6）readSacsFile模块：以对话框形式提示用户给出所需SACS文件的路径.（7）Sea模块：建立海平面及海底模型，方便查看导管架下水过程中的相对位置.（8）CS模块：转换SACS与Abaqus中不同工况下不同的坐标系统.在姿态分析模块中，需要将SACS结果中对导管架的运动姿态描述转化为Abaqus后处理所能识别的姿态描述，两者有很大的不同.SACS定义2种坐标系统：Launch/Barge 坐标系统（见图2）和摇臂坐标系统（见图3）.[1]不同阶段驳船与导管架的运动通过不同的坐标系统描述.图 2Launch/Barge坐标系统图 3摇臂坐标系统驳船的运动采用Launch/Barge坐标系，用驳船重心的3个方向的平动（heave，surge和sway）和3个方向的转动（pitch，raw和roll）来描述.导管架在滑移下水中除采用Launch/Barge坐标系外，某些阶段还用到摇臂坐标系.在Abaqus中采用此方法描述下水系统的运动较难，几乎无法实现，但可以给出不同时刻导管架和驳船各个节点的位移，以这种方式描述导管架和驳船的运动.因此，需要将SACS中重心的平动和转动运动转换为Abaqus中导管架和驳船各节点的x，y和z等3个方向的位移，由CS模块来完成的.坐标系转换公式见图4.[1]图 4坐标系转换公式1.2导管架应力响应模块设计SACS力分析结果可以输出各种工况下每个单元首尾节点的轴向应力、剪切应力、反力和弯矩等结果.导管架力响应接口程序[2]主要由4个模块构成.（1）main_build主程序模块的主要作用是调用其他模块的数据生成Abaqus的odb文件.（2）jacket模块的作用是将SACS模型数据转化为Abaqus所能识别的格式.（3）readSacsFile模块的作用是以交互界面提示用户给出SACS文件的路径.（4）membersReport模块的作用是读入SACS导管架的响应结果数据，并按照main_build 主程序所要求的结构形式生成数据.2交互界面设计图形用户界面本着直观简洁、操作方便的原则设计，用对话框和系统菜单的形式对安装过程各个阶段进行设计，以方便操作.图形用户界面采用C++ MFC与Pyhon语言联合进行编写，解决这2种语言间的相互调用问题.导管架建造、装船、滑移下水和吊装等接口程序具有独立性，用户界面与导管架接口程序的链接将各接口程序统一链接到用户界面中，使用户能够按照意愿对所关心的SACS计算的任何一个安装过程的结果进行基于Abaqus平台的后处理结果转换，并针对导管架滑移下水、建造、安装和装船等各接口程序进行程序指令的错误发现、接口程序异常处理及错误报告事件追踪的处理等，使软件能够较好较快的运行.图形用户界面见图5.3结束语介绍导管架平台海上安装接口软件Sacs2Abaqus的设计.该软件能够将SACS的计算结果转化为Abaqus的后处理模型和结果，能够实现对导管架模型转化、导管架平台建造、装船、拖航、吊装和滑移下水等SACS模型和结果的处理.所完成的程序能够以动画云图等形式动态显示导管架安装施工的整个过程.这对导管架设计中发现实际问题具有非常大的帮助.参考文献：[1]张光发，李铁骊，纪卓尚，等. 导管架下水参数计算程序设计[J]. 大连理工大学学报，2004， 44（3）： 416420.[2]祁磊，秦延龙，刘振纹. 导管架平台响应接口程序开发[C]//2012年中国造船工程学会学术论文集， 2012： 107112.（编辑于杰）。
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Ｖｏ１ Ｓｐ ｃ ａ ．１ ５ ｅ ｉｌ ２ Ｄｅ ． Ｏ１ ｃ２ ０
Ｓ ＰＢＵＩ ＨＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２２ ）２０ ０ ０４ ８ （０ Ｓ ・０ —６ ０ １ ０ １
使得在某 一虚拟 时刻 ：＂ ，有 ： Ｙ ｌ ｅ
（） ４
Ｚ（ ： Ｏ，ｅ ＝ （ Ｔ ） （ ２） ｏ， ） －
将式 （ ）改写 为状态方 程 的形式 ： ４
（） ５
ｚ（） （ ，） ｒ ＝
（ ） ＋ Ｏ）， Ｋ（ Ｙ＝Ｆ（ ｆ Ｏ ｙ Ｃ（ 】 ＋ Ｏ） ｏ， ）
（） ２
式 中 ，Ｋ，Ｃ ，分别 为 Ｘ１ 的质量 矩 阵、刚度矩 阵和 阻尼矩 阵 。 ｙ， 】 ， 】为 ，维 位移 、速度 与 阶 ７ 厂 厂 ２ 加 速度 向量 ，Ｆ为 维确 定性或 随机激 励 向量 ，Ｏ 为反 映结构与 激励 中 随机 因素 的随机 向量 ，其概率
众 所 周知 ， 构构件 响应参 数 的极值分布 是 多个随机 变量 的函数 ， 果 已知每个变 量的 概率分 布 ， 结 如
则在理 论上 可 以通过 多维 积分求 得抗力 的概 率分布 。但 目前运 用数 学方 法会遇 到较 大 困难 。故采用 模
拟方法 （ Ｍ ｎｅＣ ｒｏ 如 ｏｔ ａｔ 模拟法） 来推出抗力的概率分布函数 。为此构造虚拟随机 Ｚ 过程脚，即 （） ｚ ＝ Ｏ，） （） （
应 用 ，Ａ Ａ Ｕ ／ ｑ ａ 拓展 了 Ａ Ａ ｕ ／ ｔ ｎ ａ ｄ在海 洋工 程 中的应用 。本 文运用 Ａ Ａ Ｕ ／ Ｑ Ａ对 导管 Ｂ ＱＳＡ ｕ ＢＱ ｓｓ ａｄｒ ＢＱ ＳＡＵ 架平 台在 １ ４种海况下 逐一 做 了动 力 响应分 析 ，并且对 这些 极值作 了概率 统计 分析 ，通过 比较验证 确
密度函数 Ｐ （ ） 。 已知。 若 为上述结构动力系统的动力响应或响应指标 Ｙ ｔ的极值， （ ） 它决定于Ｏ ， Ｏ可用下式给出： 且 ＝Ｏ ｆ ｔ （ ＝ｗ（ Ｔ ｅ １ ｘ －Ｙ ） ｏ， ） ７ 这里 ｅ ｔ （ ）为时变过程 ｘｌ ・ 在时间区间［， ］ ＯＴ 内的极值。 （） ３
基 于 Ａ Ａ ＵＳＡ Ｕ 的深水导 管架平 台极值 Ｂ Ｑ ／Ｑ Ａ 响 应 分析
杨 江辉 ，丁文斌，周 凯
（ 海洋石油工程股份有 限公 司 海洋 工程技术 中心 ，天津 ３ ０５ ） ０４１
摘
要
应用Ａ Ａ Ｕ ／ ＱＡ Ｂ Ｑ Ｓ Ａ Ｕ 在对大水 深导管架平 台做动力分析的基础 上，计算 了不同海况 下平 台响应的极值 ，并 从统计学 的角度对这些极值作 了概率统计分析 ，通过 比较验证，确定 了适合于平 台危险点极 值的分布 类型 和分布 函数 ，找 出海况变化对一确定的平 台的影响规律 ，为工程上平 台随机 振动的极值 响应分析 求解提供
定 了适 合 于平 台危险 点极值 的分布类 型和 分布 函数 ，找 出响应极值 变化 的规 律 ，这在 工程设 计 中是 非
常有价 值 的…。
ｌ 基 本 理 论 和 方法
１ １波浪 力计 算 ．
计算 小尺度 孤立桩 柱上 的波浪 力 的方法 首先 由莫里森 提 出 ，但是对 于深 水导 管架平 台而 言，由于
导管架部 分是一 个无 限 自由度 的连 续体 ，且 结构是 由细长 杆件 构成 ，考虑 到实 际结构 理想化 以后 ，波 浪和 结构之 间相 对运动 的力 都集 中作用在 质 点 （ 质量 堆聚 点 ）上 ，因此 要对 莫里森方 程进行 修 正Ｉ才 ２ Ｊ
能应用 。 首先假 定 ，波浪力 随水 深减 小的变化 呈 台阶性 ，以质 点 （ 点 ）相邻 节 问的中点之 间 的整 个区段 结 为一 台阶 ；其次 ，作 用于每 杆件 上 的波 浪力 ，邻近 杆件 并不 干扰 流体运 动 ，采用 未扰动 流体速度 计算
借鉴。
关 键 词： 导管架平台；动力分析；极值；分布函数
０ 引 言
随着我 国能源 需求 的不 断增加 ，浅水 海 区勘探技 术 的不断 成熟 ，浅水勘 探面 积 的不断缩 小 ，我 国 海上 油气开 发逐步 由浅水 迈 向了深水 ， 由此推动 了深 水导 管架平 台技 术 的快 速发展 。 随着水深 的增加 ， 平 台动 力特性 较 为显著 ，需要对 平 台做动 力分析 ，在 此基础 上 ，对 平 台在各 种海 况下 的响应 极值和位 移进行概 率统 计分 析 ，获取 其分 布 函数 ，以便进 一步 指导平 台 的设计 。 ＡＡ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ中 的海 工模 块 Ａ Ｕ Ｑ Ａ是 用来模 拟海 洋工程 结构 在波 浪 、海 流 、风荷载 等作用 下结 构响应 的 ，由美 孚石 油公 司和 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ公司合 作 开发 ，该模块 的一 系列功 能可 以 附加 在 Ａ Ａ Ｕ ／ ｔ ｎ ａ ｄ上 ＢＱ ＳＳ ａｄｒ
是半杆的投影长度，下标 ，Ｊ 代表与第 自由度相连 Ｊ根杆， 是海水密度； 和 分别
、 、 支分 别为结 构的位 移 、速 度 、加 速度 。
１ ２ 结构随 机响应极 值分 布理论 ．
对 大型 复杂结构 的导 管架平 台 ，可 以通过 离散化 来处理 多 自由度 系统运 动方程 ：
波浪力 。作用 于某质 点上 的波浪 力是 实际 结构与该 质 点有关 的区段 内所有 杆件 力 ：
２
学 术 论速 度 ，
孕Ｌ＋ｐ Ｄ￣ 扩Ｉ１ ｊ ． ｉ ，０ＺＤ 一 （ ｕ ５ＣＬ ￣ ／ ｊ ｉ 毫 ）
是杆 的外
假定式 （ ）中 Ｃ １ Ｄ， Ｃ 值对 所有杆 件都相 同，分 别为拖 曳力 系数和 惯性 力系数 ；