浮式Spar平台的扶正分析方法技术

本发明专利技术涉及一种浮式Spar平台的扶正分析方法，其包括以下步骤：1)确定Spar平台的初始单元信息和参数；2)荷载计算和软舱单元质量的确定；3)将Spar平台的基本单元信息、材料信息以及计算所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息；4)若新的运动信息中结构转角已经为90°，且与2秒前的结构转角相差不到微小量ε，则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤1)，重新进行计算；5)扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及加速度时域；6)建立荷载导入方法，并根据该荷载导入方法将时域运动信息转化为荷载时域导入ANSYS结构分析模型中，然后对整个扶正过程进行强度分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋石油工程领域，特别是关于一种浮式Spar平台(立柱式平台)的 扶正分析方法。
技术介绍
随着全球资源的日趋紧张，石油的开采逐渐向深海发展。Spar平台作为一种新型 浮式平台，适用于水深为550m至3000m，具有较高的稳定性、优良的运动特性、较大的可变 载荷和较低的建造维修费用等优点，正被越来越多地应用于深海石油开采。但不同于其他 海洋平台，Spar平台在其进行结构安装之前，要经历一个扶正过程。Spar平台主体拖航至 海上安装点后，打开软舱门放入海水，整个主体会在力矩作用下由水平自行转为竖立。Spar 平台扶正是一个结构大变位过程，是正常使用前的关键安装步骤，承受荷载与服役时完全 不同，设计时需对此进行特别分析。由于扶正过程大变位小变形的非线性特点，常用的水动力软件AQWA和SESAM等都 无法实现扶正分析。国外少数学者曾提出过一些分析方法，但在实际使用中都存在一定的 局限性；而国内，该领域仍是一片空白。Spar平台的安全扶正是正常服役的前提，该领域的 空白给我国独立生产使用Spar平台提出了严峻的挑战，因此，Spar平台扶正分析方法的提 出对完善我国Spar平台设计使用技术，实现中国南海战略具有重要的理论意义和现实意 义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种计算效率高且工程应用性强的浮式Spar 平台的扶正分析方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种浮式Spar平台的扶正分析方 法，其包括以下步骤1)确定Spar平台的初始单元信息和参数根据计算精度和划分原则， 对Spar平台进行单元划分，将软舱划为一个单元，管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长 度划为若干个单元，得到基本单元信息和材料信息；根据结构尺寸和质量分布，确定初始吃 水深度，得到单元初始位移；根据实际工程情况确定固定压载、加载时间、阻尼系数和附加 质量的大小；幻荷载计算和软舱单元质量的确定根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结 合传统有限元的等效荷载原理，计算每一单元承受荷载；根据扶正过程中软舱压载的大小， 确定软舱单元质量；幻有限元迭代计算将Spar平台的基本单元信息、材料信息以及计算 所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息；4)判 断若新的运动信息中结构转角已经为90°，且与2秒前的结构转角相差不到微小量ε， 则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤1)，重新进行计算；5)输出运动信 息扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及 加速度时域；6)运动信息荷载转化建立荷载导入方法，并根据该荷载导入方法将时域运 动信息转化为荷载时域导入ANSYS结构分析模型中，然后对整个扶正过程进行强度分析。每一单元承受荷载包括重力、阻尼力和静水压力重力对于每一单元来说，重力 为均布荷载，采用有限元的等效荷载原则将重力加到每个节点上；阻尼力将单元两端的 节点质量乘以节点速度和阻尼系数，得到阻尼力；静水压力在扶正过程中，各单元上的静 水压力随着单元位置的变化而变化，需建立压力与坐标的变换关系，因此对Spar平台任一 单元i的下部截面圆心角进行积分得Ja= pgD. = pgD. 式中，Pl、p2为线性压载端点下部截面处的静水压力；P为海水密度；g为重力加 速度；D为舱体直径；y (i，1)为单元i左节点上坐标；a为采油槽宽度；θ为结构转角；然后将P1和Ρ2根据有限元的等效荷载原则换算得单元i上的静水压力的等效节 点荷载。软舱单元质量由以下公式确定Ms = ms+Fs/g式中，Ms为软舱单元质量；ms为软舱结构质量；FS为扶正过程中的软舱压载；其中，扶正过程中的软舱压载Fs由以下公式确定式中，Ffix为工程中确定的软舱压载；tfix为加载时间；T为扶正进行时间，初始定 为0，随着扶正地进行自动增加。建立载荷导入方法包括以下内容导入静水压力在Spar平台底部中心处建立倾斜坐标系，使Spar平台在该坐标系 下倾角正好为扶正过程中的倾角；在该坐标系下建立线性压载，使其斜率为海水密度乘以 重力加速度，在海面处面压力为零；选出Spar平台低于海面的单元，对其施加所建立的线 性压载，完成静水压力导入；导入阻尼力在Spar平台底部中心处建立随体坐标系，由程序导入坐标原点的水 平速度Vx和竖向速度Vy，将其转化为以主体结构为轴的轴向速度Vm和切向速度V。t，在Spar 平台转动速度ω以拟合求出的情况下，Spar平台任一点的阻尼力都表示如下(F =-CVcncnFm为轴向阻尼力，即随体坐标下的Z向；F。t为切向阻尼力，即随体坐标下的X向； C为阻尼，等于质量乘以阻尼系数；ζ为随体坐标下的Z坐标值；选出Spar平台的所有单元， 对每一单元按上式求出其阻尼力，然后平均加载在该单元的节点上即可；导入惯性力对于转动加速度，在确定转心在整体坐标系下的坐标后可直接导入 ANSYS模型；对于平动加速度，先分解为整体坐标系下的X向和Z向，再导入。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术采用运动模拟和强度 分析两步走的方法，有效地减小了运动模拟过程的计算量，提高了计算效率，增强了工程应 用性。2、本专利技术基于向量式有限元编制的SPAR扶正模拟程序，可准确详尽地模拟任一 SPAR 平台的扶正过程，给出详细的扶正运动特征；同时，运动模拟结合ANSYS强度分析的扶正分 析方法，对扶正过程的任一状态都可进行详尽的强度分析，可有效地评估整个扶正过程的结构安全性。附图说明图1是本专利技术方法的流程2是本专利技术Spar平台的单元划分3a、图北是本专利技术某一单元的静水压力分布图具体实施例方式下面结合附图，详细说明本专利技术方法的具体实施过程。如图1所示，本专利技术的浮式Spar平台扶正分析方法包括以下步骤1)初始单元信息和参数的确定①根据计算精度和效率要求，对Spar平台进行单元划分，由于管桁架的直径相对 很小，故不考虑其静水压力的影响，可将其划分为一个单元。因此，将软舱划为一个单元， 管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长度划为若干个单元(如图2所示)，单元长度一般在 IOm左右。划分后得到基本单元信息和材料信息，基本单元信息包括单元质量、转动惯性矩、 单元截面积和单元长度；②根据Spar平台尺寸和质量分布，确定初始吃水深度，经过简单转换后得到单元 初始位移\；③根据实际工程情况确定固定压载Ffix、加载时间tfix、阻尼系数c和附加质量Ma 的大小。2)荷载计算和软舱单元质量的确定①根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结合传统有限元的等效荷载原理，计算 每一单元承受荷载，包括重力、阻尼力和静水压力，其中荷载、位移及质量间的耦合关系如 下权利要求1.一种，其包括以下步骤1)确定Spar平台的初始单元信息和参数根据计算精度和划分原则，对Spar平台进 行单元划分，将软舱划为一个单元，管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长度划为若干个单 元，得到基本单元信息和材料信息；根据结构尺寸和质量分布，确定初始吃水深度，得到单 元初始位移；根据实际工程情况确定固定压载、加载时间、阻尼系数和附加质量的大小；2)荷载计算和软舱单元质量的确定根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结合传统 有限元的等效荷载原理，计算每一单元承受本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种浮式Ｓｐａｒ平台的扶正分析方法，其包括以下步骤：１）确定Ｓｐａｒ平台的初始单元信息和参数：根据计算精度和划分原则，对Ｓｐａｒ平台进行单元划分，将软舱划为一个单元，管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长度划为若干个单元，得到基本单元信息和材料信息；根据结构尺寸和质量分布，确定初始吃水深度，得到单元初始位移；根据实际工程情况确定固定压载、加载时间、阻尼系数和附加质量的大小；２）荷载计算和软舱单元质量的确定：根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结合传统有限元的等效荷载原理，计算每一单元承受荷载；根据扶正过程中软舱压载的大小，确定软舱单元质量；３）有限元迭代计算：将Ｓｐａｒ平台的基本单元信息、材料信息以及计算所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息；４）判断：若新的运动信息中结构转角已经为９０°，且与２秒前的结构转角相差不到微小量ε，则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤１），重新进行计算；５）输出运动信息：扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及加速度时域；６）运动信息荷载转化：建立荷载导入方法，并根据该荷载导入方法将时域运动信息转化为荷载时域导入ＡＮＳＹＳ结构分析模型中，然后对整个扶正过程进行强度分析。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：时忠民，屈衍，金伟良，何勇，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海石油研究中心，浙江大学，
类型：发明
国别省市：11