海洋平台建造中的结构有限元分析
海洋平台的环境载荷
结构优化方法选择
拓扑优化
通过改变结构的拓扑构型，实现材料的高效利用和结构的轻量化 。
形状优化
调整结构的几何形状，以改善结构的受力性能和动力学特性。
尺寸优化
优化结构的截面尺寸和构件布局，以提高结构的承载能力和稳定性 。
结构优化效果评估
有限元分析
采用有限元方法对优化后的结构进行详细的受力分析和性能评估 。
04
CATALOGUE
海洋平台环境载荷计算方法研究
理论计算方法研究
1 2
基于势流理论的计算方法
通过建立海洋平台与周围流体的势流模型，利用 边界元等方法求解流体动力载荷。
基于莫里森公式的计算方法
针对小尺度结构物，利用莫里森公式计算波浪力 、水流力等环境载荷。
3
考虑流固耦合效应的计算方法
通过建立海洋平台与周围流体的流固耦合模型， 综合考虑结构变形对流场的影响，提高计算精度 。
海洋平台的环境载 荷
目录
• 海洋平台概述 • 环境载荷类型及特点 • 环境载荷对海洋平台影响分析 • 海洋平台环境载荷计算方法研究 • 环境载荷作用下海洋平台结构优化设计探
讨 • 总结与展望
01
CATALOGUE
海洋平台概述
定义与分类
定义
海洋平台是用于在海上进行石油 、天然气等资源的勘探、开发、 生产等作业的大型海上结构物。
数值模拟方法研究
01
基于有限元的数值模拟方法
利用有限元软件建立海洋平台的精细化模型，通过施加边界条件和载荷
，求解结构的应力和变形。
02
基于有限体积的数值模拟方法
通过建立海洋平台周围流体的有限体积模型，利用数值方法求解流体动
力载荷。
如何对海洋平台进行结构优化设计
如何对海洋平台进行结构优化设计引言：海洋平台是石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。
平台与海底井口有立管相通，最早出现的平台是导管架平台，由若干根导管组合成而。
先把导管架拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使导管固定于海底。
平台设于导管架的顶部。
导管架平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。
由于海洋平台工作环境是在近海海面上，受到风浪等载荷作用，因此对其安全性和可靠性的分析和评价是确保其在服役年限内正常使用的重要环节。
1 海洋石油平台结构特点海洋石油平台是高出海面的一种海洋工程结构，按结构类型可分为固定式平台和移动式平台。
固定式平台又可以分为导管架型、塔型和重力型等各种结构形式。
移动式平台则包括自升式、半潜式，浮船式和张力腿式等结构形式。
海洋平臺是海洋资源开发的基础设施，是海上作业和生活的基地。
在复杂和恶劣环境条件下，环境腐蚀、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳损伤积累等不利因素都将导致整体抗力的衰减、影响结构的服役安全度和耐久性。
合理地建立海洋环境载荷模型、系统地研究海洋平台结构可靠度，揭示海洋平台结构体系优化的理论和方法提高基于可靠度的海洋平台结构优化设计到一个新的水平、从而为海洋资源的安全开采提供科学可靠的保证。
2 海洋平台仿真建模导管架平台由上层平台结构和下部导管架结构组成，导管架底端通过桩基础固定。
上层平台包括支撑框架和甲板，主要提供生产和生活的场地，其外形为矩形。
下部导管由一系列钢管焊接而成，主体是六根主导管，其间用细管件作为撑杆，组成空间塔架结构，桩基础通过主导管插入海底土层。
整个模型采用三种单元类型：PIPE16，BEAM4，SHELL63。
下部导管架和上部甲板框架的主要竖向支撑构件采用PIPE16单元，甲板平面的框架梁采用BEAM4单元，水平甲板采用SHELL63单元。
整个模型采用同一种钢材，弹性模量EX=2e11Pa，泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7800kg/m3。
海洋平台环境适应性模态分析与评价
海洋平台环境适应性模态分析与评价海洋平台作为海洋油气资源开发的关键设施，需长期在极端复杂的海洋环境中稳定运行，因此，对其环境适应性模态的分析与评价显得尤为重要。
本文将从六个维度探讨海洋平台环境适应性模态分析与评价的关键要素，以期为海洋工程设计、建造及运维提供理论依据。
一、环境荷载识别与量化海洋平台所面临的环境荷载主要包括波浪、风、流、冰和海床不均匀沉降等。
首先，需通过历史气象数据、现场观测和数值模拟等手段，准确识别影响平台的各种环境因素，并对其进行量化分析。
例如，波浪荷载的计算需考虑波高、周期、方向及其频谱特性；风荷载则需评估风速、风向及湍流效应。
通过建立精确的荷载模型，为后续的环境适应性分析奠定基础。
二、结构动力响应分析海洋平台在复杂环境荷载作用下会产生动态响应，包括振动、摇摆和位移等。
利用有限元法、边界元法等数值仿真技术，结合动力学原理，对平台结构的动力响应进行全面分析。
这一步骤至关重要，因为它直接关系到平台的安全性、稳定性以及作业效能。
通过模拟不同工况下的响应特性，可识别出平台的薄弱环节，为结构优化设计提供指导。
三、环境适应性模态分析环境适应性模态分析主要涉及平台的固有频率、模态形状及阻尼特性等。
通过模态分析，可以确定平台在特定频率下的动态行为，进而评估其在遭遇共振风险时的脆弱性。
此外，阻尼特性分析有助于理解平台能量耗散机制，对控制振动幅度、提高结构耐久性具有重要意义。
模态分析结果是设计中减振、隔振措施选择的重要依据。
四、极端事件应对策略针对台风、巨浪等极端海洋环境事件，平台设计需考虑特殊的应对策略。
这包括但不限于增强结构强度、增设避难所、设置紧急断开系统等。
通过极端事件模拟，评估平台在极端条件下的生存能力，确保其能在极端情况下保护人员安全、减少财产损失并快速恢复作业。
此部分研究强调预防为主，确保平台具备足够的韧性。
五、环境影响评估与生态兼容性海洋平台的建设与运营对周边海洋生态系统可能产生影响，包括物理扰动、水体污染及生物多样性改变等。
导管架平台的随机有限元可靠度分析
２１ ０ ２年 ５月 １ Ｊ 到 ， ３ 日修 改 ８Ｌ收 ５月 ０
第 一作者简介 ： 淑华 （ ９ ４ ） 女 ， 宁 大连人 ， 士 ， 士 ， 导 张 １６ 一 ， 辽 博 博 ｛ ｉ 师。存 Ｆ本从事过相关研究二年 ，０ ４河海大学港航学 院教授 。 １ ２０
通信作彳简介 ： 辛 徐 岸 与近海 磊 （９ ５ ） 男 ， 苏 徐 州 人 ， 海 大 学 港 口海 １８ 一 ， 汀 河
பைடு நூலகம்
蒙特卡 罗法 Ａ
随机 有限元
Ｕ ５． ； ６ ６ ６
文献标志码
海 洋平 台是海 洋资源 开发 的重 要基 础设 施。
其结 构 复杂 、 体积 庞 大 、 价 昂贵 ， 造 而且 它 所 处 的海
洋环 境 复杂恶 劣 ， 直接 影 响平 台 的安全 。历 史 上曾
１ 可 靠性 分析
软 件 Ａ Ｓ Ｓ概 率 设 计 模 块 ， 蒙 特 卡 罗 随机 有 限元 法对 结 构 可 靠 度 进 行 综 合 评 估 。 并 分 析 各 种 载 荷 因素 对 平 台 可 靠 度 的影 ＮＹ 用 响 ， 到 了较 满 意 的 结 果 。 得
关键词 导管架 中图法分类号
可 靠性
谱分 析
度 的 因素进 行评 估 ， 导管 架 平 台 的设 计 有 重 要 的 对 意义 。在 以往 的计 算 中对 于材 料 的变 异 性 、 载 的 荷 随机 性往 往考 虑 较少 ， 法 真 实反 映结 构 的可 靠 性 无
水平 ， 因此本 文采 用 随 机 有 限元 方 法 来 计 算 导 管架 平 台的可 靠 性 。运 用 Ａ Ｓ Ｓ概 率设 计 模 块 （ Ｄ ） ＮＹ Ｐ Ｓ 采 用谱 分 析 法 计 算 了 海 洋 平 台在 仅 受 随 机 波 浪 荷
船舶与海洋工程结构极限强度分析
通过测量结构在逐渐增加的载荷下的应力应变，推算出结构的极限强度。
动力分析方法
振动分析法
通过分析结构的振动特性，评估其在 动态载荷下的稳定性及极限强度。
冲击响应法
通过模拟和测量结构在冲击载荷下的 响应，评估其抗冲击的极限强度。
有限元分析方法
有限元模型建立
根据实际结构建立有限元模型，考虑各种边界条件和载荷条 件。
VS
支撑体系
支撑体系可以有效地提高结构的刚度和稳 定性，从而提高结构的极限强度。
海洋环境因素
海水腐蚀
海水中的化学物质会对金属材料产生腐蚀作用，降低材料的力学性能，从而影响结构的极限强度。
海浪冲击
海浪冲击会对船舶和海洋工程结构产生动态的载荷，如果结构无法承受这种冲击，其极限强度就会受到影响。
04 船舶与海洋工程 结构极限强度的 评估与优化
考虑多学科优化
涉及多个学科领域，如结 构力学、流体力学、热力 学等，以实现整体性能最 优。
运用数值模拟技术
借助有限元分析、有限差 分分析等技术手段，对结 构性能进行预测与优化。
提高极限强度的措施与方法
选择高强度材料
使用高强度钢、铝合金等材料 ，提高结构的承载能力。
合理布置结构
根据工作条件及载荷特点，合 理安排结构的布局及支撑方式 。
新型材料和先进制造技术的应用，提高了船 舶与海洋工程结构的强度和稳定性，降低了 结构重量，提高了船舶与海洋工程的运输效
率和安全性。
存在的问题与不足
尽管船舶与海洋工程结构极限强度分 析取得了显著的进展，但仍存在一些 问题和不足之处。
其次，现有的数值模拟方法在预测复 杂环境和海洋环境对船舶与海洋工程 结构的影响方面还存在一定的局限性 。
海洋工程行业海洋平台设计与建造方案
海洋工程行业海洋平台设计与建造方案第一章海洋平台设计概述 (3)1.1 海洋平台设计的基本原则 (3)1.2 海洋平台设计的主要流程 (3)1.3 海洋平台设计的关键技术 (4)第二章海洋平台总体设计 (4)2.1 海洋平台总体设计要求 (4)2.1.1 设计原则 (4)2.1.2 设计依据 (5)2.2 海洋平台总体设计方案 (5)2.2.1 平台结构类型 (5)2.2.2 设计参数 (5)2.2.3 功能区划分 (5)2.2.4 设备选型与布局 (5)2.3 海洋平台总体设计优化 (5)2.3.1 结构优化 (5)2.3.2 设备优化 (5)2.3.3 生产流程优化 (6)第三章海洋平台结构设计 (6)3.1 海洋平台结构设计原则 (6)3.2 海洋平台结构设计方法 (6)3.3 海洋平台结构设计分析 (6)第四章海洋平台基础设计 (7)4.1 海洋平台基础设计要求 (7)4.2 海洋平台基础设计方案 (7)4.3 海洋平台基础设计分析 (8)第五章海洋平台设备设计 (8)5.1 海洋平台设备设计原则 (8)5.2 海洋平台设备选型与配置 (9)5.2.1 设备选型 (9)5.2.2 设备配置 (9)5.3 海洋平台设备设计优化 (9)5.3.1 设备布局优化 (9)5.3.2 设备功能优化 (9)5.3.3 设备成本优化 (9)5.3.4 设备可靠性优化 (9)第六章海洋平台建造技术 (10)6.1 海洋平台建造技术概述 (10)6.2 海洋平台建造工艺 (10)6.2.1 前期准备 (10)6.2.2 建造过程 (10)6.2.3 后期维护 (10)6.3 海洋平台建造质量控制 (11)6.3.1 设计质量控制 (11)6.3.2 施工质量控制 (11)6.3.3 质量验收 (11)第七章海洋平台材料选择与应用 (11)7.1 海洋平台材料选择原则 (11)7.1.1 耐腐蚀性原则 (11)7.1.2 高强度原则 (11)7.1.3 耐久性原则 (11)7.1.4 经济性原则 (12)7.2 海洋平台常用材料介绍 (12)7.2.1 钢材 (12)7.2.2 铝合金 (12)7.2.3 玻璃钢 (12)7.2.4 橡胶 (12)7.3 海洋平台材料应用分析 (12)7.3.1 钢材在海洋平台中的应用 (12)7.3.2 铝合金在海洋平台中的应用 (12)7.3.3 玻璃钢在海洋平台中的应用 (12)7.3.4 橡胶在海洋平台中的应用 (12)第八章海洋平台环境与安全评估 (13)8.1 海洋平台环境评估方法 (13)8.2 海洋平台安全评估指标 (13)8.3 海洋平台环境与安全评估实践 (13)第九章海洋平台项目管理与实施 (14)9.1 海洋平台项目管理概述 (14)9.1.1 项目管理的定义与意义 (14)9.1.2 海洋平台项目管理的任务与目标 (14)9.1.3 海洋平台项目管理的组织结构 (14)9.2 海洋平台项目进度控制 (14)9.2.1 进度控制的重要性 (14)9.2.2 进度计划编制 (14)9.2.3 进度控制方法 (15)9.2.4 进度调整与优化 (15)9.3 海洋平台项目成本控制 (15)9.3.1 成本控制的重要性 (15)9.3.2 成本估算与预算 (15)9.3.3 成本控制方法 (15)9.3.4 成本控制措施 (15)第十章海洋平台设计建造案例分析与启示 (15)10.1 典型海洋平台设计建造案例分析 (15)10.1.1 案例一：我国南海某深水油气平台设计建造 (15)10.1.2 案例二：某国际大型海洋工程公司设计建造的FPSO（浮式生产储卸油装置）1610.2 海洋平台设计建造成功经验总结 (16)10.2.1 创新技术在海洋平台设计建造中的应用 (16)10.2.2 完善的工程管理体系的建立 (16)10.2.3 国际合作与交流的深化 (16)10.3 海洋平台设计建造发展趋势与展望 (16)10.3.1 绿色环保成为设计建造的重要方向 (16)10.3.2 深水油气资源开发成为新的增长点 (16)10.3.3 数字化、智能化技术助力海洋平台设计建造 (17)第一章海洋平台设计概述1.1 海洋平台设计的基本原则海洋平台设计作为海洋工程行业的重要组成部分，其基本原则主要包括以下几点：（1）安全性原则：保证海洋平台在各种工况下具有良好的稳定性、强度和耐久性，以抵御海洋环境中的各种风险因素，如风、浪、流、冰等。
波浪能发电装置的半潜平台基体结构有限元分析
波浪能发电装置的半潜平台基体结构有限元分析摘要：以鹰式波浪能发电装置的半潜平台基体结构为分析对象，进行力学分析，设计了平台的材料、边界条件，运用专业分析软件，建立了其有限元模型。
通过分析多种工况下波浪能发电装置的半潜平台基体结构的载荷变化，获得了模拟结果，该结果表明本设计方案的平台满足强度要求。
关键词：波浪能发电装置；半潜平台；有限元分析Abstract: Taking the base structure of the semi-submersibleplatform of the Eagle wave energy power generation device as the analysis object, the mechanical analysis was carried out, thematerials and boundary conditions of the platform were designed, andthe finite element model was established using professional analysis software. By analyzing the force of the base structure of the semi-submersible platform of the wave energy power plant under various working conditions, a simulation result of the force is obtained,which shows that the platform of this design scheme meets the strength requirements.Key words: Wave power generation device; semi-submersible platform; finite element analysis半潜平台是海洋工程中一种常用的装备。
某自升式平台直升机甲板结构评估
某自升式平台直升机甲板结构评估由于海洋平台所处的海洋环境十分复杂和恶劣，一些不确定因素等往往对平台人员的安全构成极大的威胁。
为了快速满足上、下人员及救生、逃生的需要，一般都设有直升机甲板，可供直升机进行起飞、降落和短暂的停留，而直升机甲板结构的强度问题又关系到整个平台的设计和安全。
因此，针对这一问题，这篇文章以某自升式钻井平台为例，采用有限元分析软件ANSYS，分别对直升机着陆时碰撞工况、直升机存放工况、甲板均布载荷工况进行计算，以此来验证结构的可靠性。
标签：自升式平台；直升机甲板；强度；评估引言直升机海上平台，是指海上漂浮或固定的建筑物上供直升机降落和起飞的场地，包括移动钻井平台、移动采油平台、柱稳式平台（即半潜式平台和坐底式平台）等，俗称直升机甲板[3]。
直升机甲板的设计应按照《海上移动平台入级与建造规范》进行，且必须设置在安全区，一般设在船艏生活楼一侧[4]。
直升机甲板的设计为了满足规范对无障碍物区域的要求，常常需要将飞机甲板伸出平台之外，这就要求用桁架结构来支撑。
近年来，随着海洋平台的迅速发展，直升机甲板结构的局部强度问题成为人们关注的焦点。
1 计算依据1.1 平台飞机甲板结构本直升飞机平台甲板是典型的板梁组合结构，平台撑杆是桁架式结构，由4排纵向主斜撑杆和7排横向撑杆组成。
飞机平台甲板板厚为6、9mm。
纵桁与横梁为⊥■，纵骨为L125×80×8和L90×56×5，间距为500mm。
撑杆尺寸主要为Φ273×10、Φ194×8和Φ159×7。
1.2 直升飞机参数直升飞机型号为Bell-212，其主要参数：总长17.50m；总重5.08t；轮数3个；前后轮距离2.3m；横向间距2.5m。
2 计算模型2.1 结构模型有限元化文章采用ANSYS进行计算，将直升飞机甲板及其撑杆简化为空间板梁组合结构，并模拟了与直升飞机平台相连的生活楼结构及主甲板结构。
海洋平台结构整体优化设计
文章编号:1001-4500(2001)01-0015-06海洋平台结构整体优化设计胡涛,肖熙,孟庆毓(上海交通大学,上海200030) 摘 要:通过采用美国M SC NA STRAN程序,对导管架式海洋平台进行了三维有限元分析,并在此基础上以两个方案对其结构进行了大型优化设计,优化结果最终可为平台降低建造成本。
关键词:海洋平台,优化设计,N SC NA STRAN程序 中图分类号:P752 文献标识码:A1 前言 近年来,随着我国石油工业的突飞猛进,石油生产的重心正慢慢地从陆地转移到了海上,因而作为海上石油生产的“主力军”——石油平台越来越得到了人们的重视。
在进行结构优化设计过程中,由于海洋石油平台本身的复杂性,势必牵涉到大量的优化设计变量和约束条件,传统的优化手段将不能反映出平台的许多重要细节,甚至不能把优化继续下去,这也正是大型优化问题的症结之一。
为此,我们采用了发展日臻成熟的有限元技术来分析计算,以期得到较满意的结果。
本文结合某导管架式海洋平台结构,采用美国M ac N eal2Schw endler(M SC)公司的大型结构分析软件NA STRAN进行平台结构整体优化设计。
2 数值优化方法的基本原理 本文采用美国M SC NA STRAN程序系统的优化模块,运用改进的可行方向法来解决大型优化问题。
该模块利用近似概念,把结构有限元分析与数值优化有机结合起来。
所谓近似概念即通过设计变量的耦合、约束条件的区化和筛选、结构响应近似化、直接线性化、混合方法和凸线性方法建立近似模型。
图1显示了M SC NA STRAN中有限元分析、近似模型和数值优化方法之间的关系。
收稿日期:2000210230作者简介:肖熙(19402)男,教授、博导攻关项目:国家计委“九五”攻关项目(8202101) 设计灵敏度分析是M SC NA STRAN 优化模块中比较突出的优点,可以加快数值优化的进程。
设计灵敏度分析即计算结构设计参数变化时结构响应的变化率Κij =5r j 5x i x τ0在x τ0处结构响应r j 对于第i 个设计变量x i 的变化率。
含贯穿性损伤海洋平台结构强度分析
法 ，精确描述节点损伤 的发生 ，其余平 台结构仍采用
线单元方法建模 ，整体分析受损平 台响应 ，对 比全线
单元模 型 ，用平 台的最大应力值和最大位 移值来验证
局部实体建模方法的正确性 。在 实体部位模 拟节点损
伤 ，对含贯穿 ｌ损 伤的海洋平 台整体结构在极端 波浪 生 和极端冰条件下进行有 限元计算 和分析 ，分析损 伤程 度对平台整体结构强度 的影响 。
损伤 处 ，开裂 损伤边 缘 应力值 超过 材 料 的屈服 极 限 ，使 导 管 架撑 杆 产 生 塑 性 变形 ，最 终 会 导致 管 件 断裂。研 究方法 为现役 平 台的分析 与评估 提供 了更 为精 确 和 符合 实 际 的 手段 ，为海 洋 平 台 的检 测 、维修决 策和 结构 承 载潜力 挖 掘提供 了科 学依 据 。
些老龄平 台的许 多构 件 已不 同程 度地 现 了疲 劳裂 纹 、破损 等损 伤 ，结 构 老化 严 重 。随着 我 同海上 油
平台整体结构进行应力计算和强度分析 Ｊ 。
石 油
机
械
２１ ００年
第３ ８卷
第ｌ ２期
气 田的不断 发现 ，以及 国家 对海 洋石 油 资 源开 采 的
点 极 限强 度 问题 ，考虑 了应 力集 中 、损伤 以及 弯 曲 应力 的影 响 ，提 出 了一 种评 估海 洋平 台极 限强 度 的
新方 法 ¨ 。Ｅｌ ａ 过 对 不 同 结 构 、材 料 以 及 含 ｌｎｓ通 ｉ
对海洋平台整体进行 实体 建模 ，精确描述平台局 部细节 ，这种 方法最 为准确 ，但是计算规 模大 ，对计 算机性能 要求 很 高 ， 目前 这 种 方法 在 工程 巾难 以实 现 ；同样该方 法 也不 能很 好 地快 速 处 理海 上 突发 事 件 ，因此工程设计计算 中海洋平 台仍 采用线单元 建模