海洋石油平台结构的动力分析

 《ansys结构有限元高级分析方法与范例应用》----尚守信

 

第十四章，海洋石油平台结构的动力分析

海洋平台的建模，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，甲板平面框架梁，采用beam4 单元，水平甲板采用shell63单元，PIPE16单元截面由外径和厚度确定，BEAM4单元截面形式选用矩形，单元的参数包括截面高度、宽度、面积和截面惯性矩，shell63单元参数包括四节点处的厚度，平台建模的操作命令如下：

（注意：ansys中实常数命令R, NSET, R1, R2, R3, R4, R5, R6，NSET为单元编号，LSEL, Type, Item, Comp, VMIN, VMAX, VINC, KSWP，

LATT,MAT,,TYPE,,KB,,SECID，　MAT--与所选择的尚未划分网格的线关联的材料号；TYPE--与所选择的尚未划分网格的线关联的类型号；KB--对应于模型中的关键点号。所生成的梁单元的横截面按这样定向，梁的Z轴将位于由线的两端点和该关键点定义的平面；SECID--与SECTYPE 命令定义的梁横截面相对应，截面号由 SECNUM 指定。

14.3 海洋平台模态分析

模态分析用于确定固有频率和振型，是其他动力学的基础，

A 计算模态解

1,。设定分析类型  2。 设置分析选项  3。 施加位移约束   4。 模态分析求解

B。观察模态分析的结果

5。观察固有频率 6。观察模态振型 7.

14.4 海洋平台谐响应分析

      谐响应分析用于确定结构在随时间按照正弦规律变化的载荷作用下的稳态响应，目的是计算结构响应随频率的变化曲线，从这些曲线中可以找到峰值可以找到峰值响应，并进一步观察峰值频率对应的应力，谐响应是线性分析，谐响应由完全法、模态法和缩减法三种，

完全法谐响应分析过程主要由三个主要的步骤组成，建模、加载求解，观察结果。

加载过程中，采用ANTYPE,3,定义谐响应分析类型，HROPT（full，REDUCE,）定义谐响应分析的求解方法及其他参数，HROUT定义谐响应分析的输出类型，用LUMPM命令定义质量矩阵，用EQSLV选择求解器，用NSUBST定义计算任何数目的谐响应解，解或子步数，用HARFRQ指定频率范围，用KBC定义荷载方式，用alphad和BETAD定义阻尼。

 14.4.1  计算谐响应解

谐响应分析法的注意事项，

1。设定分析类型，2。设置分析选项 3。载荷步选项设置 4。 施加载荷  5。谐响应求解

14.4.2 观察球求解结果

（NSOL,NVAR,NODE,ITEM,COMP,NAME）以节点数据定义变量，NVAR--变量号或变量名，NODE--拟取数据的节点号，ITEM COMP结果项和组项标识符，NAME--用于图形显示或列表显示的项目标识名。

（NSUBST,NSBSTP,NSBMX,NSBMN,CARRY）,其中，NSBSTP--当前载荷步的子步数，默认为以前载荷步中的设置的子步数，如果以前没有设置，则缺省为1，如果用了（AUTOTS,ON）则该子步数只用于第一子步数，NSBMX--当AUTOTS打开时，NSBMN为最小子步数，缺省时，如果SOLCONTROL打开时，由系统确定最大子步数，如果SOLCONTROL关闭时，缺省时为以前设置的最大子步数。

14.5  冰荷载作用下的平台的响应（瞬态分析）

 本节通过计算海洋平台在冰荷载作用下的结构响应，介绍ANSYS瞬态分析的具体操作过程。在高纬度地区，冰荷载是海洋平台的一种重要的载荷形式，由于浮冰的撞击，平台结构再短的时间内完成，具有明显的瞬时效应，因此，采用ANSYS的瞬时分析，计算海洋平台在冰荷载作用下的响应。

!分析选项设置和求解

/SOL

/ANTYPE,TRANSIENT

TRNOPT,FULL

!载荷步1

NSUBST,10,0,0

TIME,1.9

ALPHAD,0.05

BETAD,0.05

OUTRES,ALL,1

F,5,FY,0

F,25,FY,0

LSWRITE,1

!载荷步2

TIME,2

F,5,FY,100000

F,25,FY,100000

LSWRITE,2

!载荷步3

TIME,3

F,5,FY,0

F,25,FY,0

LSWRITE,3

! 载荷步4

TIME,10

NSUBST,50

LSWRITE,4

LSSOLVE,1,4,1

FINISH

!后处理观察位移-时间变化曲线

/POST26

NSOL,2,73,U,Y,UY

/AXLAB,X,TIME

/AXLAB,Y,UY

PLVAR,2

FINISH

14.6 波浪荷载作用下海洋平台的随机分析

本节通过计算海洋平台在波浪荷载作用下的结构响应，介绍ANSYS随机谱分析方法

14.6.1 波浪荷载的简介

  波浪力由拖曳力和惯性力组成，通常用MORISON公式计算作用在导管架主导管单位长度上的宗水平力，由于波浪的随机性，采用ANSYS谱分析中的功率谱（psd）分析方法计算平台结构波浪荷载作用下的结构的响应。一般采用P-M谱，

14.6.2  获得谱解

第一步：设置分析类型，

ANTYPE,SPECTRUM

SPOPT,PSD,6,0

PSDUNIT,1,FORC,386.4

PSDFRQ,TBLNO1,TBLNO2,FREQ1,FREQ2,FREQ3,FREQ4,FREQ5,FREQ6,FREQ7,

PSDVAL,TBLNO,SV1,SV2,SV3,SV4,SV5,SV6,SV7,其中，TBLNO1,TBLNO2为表号，FREQ1-FREQ7---功率谱密度-频率表的频点数，重复定义可以高达50个，SV1-SV7为各频率点对应的谱值。

（spopt，sptype，nmode，elcalc）sptype--谱响应方法，SPRS--单点响应谱，MPRS--多点响应谱，DDAM-动力设计分析方法，PSD-随机振动谱，NMODE-使用模态分析的前NMODE阶模态，缺省时为所有模态，但不得大于1000，ELCALC--仅当SPTYPE=PSD时的单元结果计算控制，为NO时，不包括应力响应，为yes时包括应力响应。

PSDUNIT,TBLNO,TYPE,GVALUE,定义功率谱密度的类型，TBLNO--功率谱密度-频率表的个数，TYPE--功率谱密度类型，=disp为位移谱，=velo，为速度谱，=acel为加速度谱，=FORC为力谱，=pres为压力谱，缺省时为加速度谱。

计算谱的参与系数，用命令PFACT,TBLNO,EXCIT,Parcor，excit--指定是对基础激励还是对节点激励，base-为基础激励，node-为节点激励，

设置输出控制项，PSDRES,定义写入文件的输出数据的数量和格式，主要有位移解、速度解和加速度解，每一种解都可以是绝对值和相对于基准值的相对值。PSDRES,ITEM,COMP.

第二步：设置分析选项 第三步：定义激励谱类型，第四步：定义激励谱，第五步：施加PSD激励荷载 第六步：计算PSD激励缩放系数 第七步：设置计算选项 第八步：谱分析求解 第九步：

RPSD, IR, IA, IB, ITYPE, DATUM, Name 计算响应的功率谱曲线，其中，ITYPE--为响应功率谱的类型，=1或0时，为位移谱，=2时为速度谱，=3时为加速度谱。IR--最终的结果变量的标号，IA，IB--为两个操作的变量标号，DATUM--定义PSD参数的计算方式，=1时为绝对值，=2时为相对值。NAME--用于计算和显示时，使用的变量名

谱分析命令流如下：

!谱分析求解选项设置

/SOL

ANTYPE,SPECTRUM

SPOPT,PSD,6,0

PSDUNIT,1,FORC,386.4

PSDFRQ,1,,0.0001,0.0318,0.0478,0.064,0.0796

PSDFRQ,1,,0.0955,0.1146,0.1274,0.1592,0.1911

PSDFRQ,1,,0.2229,0.2548,0.3185,0.4777,0.7962

PSDFRQ,1,,1.5924,5

PSDVAR,1,0.001,0.167,0.868,0.02E10,0.124E10,2.319E10,2.553E10,

PSDVAR,1,1.66E10,0.89E10,0.503E10,0.174E10,0.074E10,0.074E10,0.034E10,

PSDVAR,1,0.019E10,0.008E10,0.006E10,0.006E10

F,5,FY,1

F,25,FY,1

PFACT,1,NODE

PSDRES,DISP,ABS

PSDRES,VELO,ABS

PSDRES,ACEL,ABS

SOLVE

FINISH

/SOLUTION

!模态分析

/SOL

ANTYPE,SPECTRUM

PSDCOM,0.001,6

SOLVE

FINISH

!后处理观察位移响应

/POST26

STORE,PSD,1

NSOL,2,73,U,Y,UY

RPSD,3,2,,1,1,S-UY

/AXLAB,X,Frequency

/axlab,y,S-UY

PLVAR,3

finish

 

摘自：http://20044592.blog.163.com/blog/static/1461962852010113111351858/