超大型浮体立柱与上箱体局部结构极限强度有限元分析
摘 要摘 要为确保超大型浮体立柱与上箱体局部结构的安全，对超大型浮体立柱与上箱体局部进行结构强度评估具有重要意义。近年来，人们通过直接计算法，逐步破坏法，非线性有限元法，试验法等基本极限强度分析方法对工作环境恶劣的复杂结构物进行极限强度分析，从而准确的反映出相关的问题。本文采用非线性有限元法的准静态分析法，从局部对超大型浮体立柱与极限强度进行分析。论文完成的主要工作有：(1)． 阐述了非线性问题的来源，比较评估结构极限强度时，采用非线性有限元法分析的两种基本方法——静态分析法和准静态分析法。(2)． 确定了本文的主要研究对象-超大型浮体立柱与上箱体局部结构，然后用ABAQUS软件来建立此结构的有限元模型与仿真计算。(3)． 分析了超大型浮体立柱与上箱体局部结构的三种不同计算工况时的极限承载力以及结构的失效形式。并对三种工况进行对比分析，得到了一系列重要结论。(4)．确定了改变板厚及初始变形等因素对超大型附体立柱与上箱体局部结构极限承载能力的影响。关键词：超大型浮体立柱与上箱体；极限强度；非线性有限元法；准静态分析； Keyword: Local Structure of Very Large Floating Body Column and Upper Box Body; Ultimate Strength; Nonlinear Finite Element; Quasi-Static; 目录
第一章 绪论 1
1.1 选题的背景与意义 1
1.2 结构极限强度的计算方法 2
1.2.1 直接计算法 2
1.2.2 逐步破坏法 3
1.2.3 非线性有限元法 4
1.3 国内外研究现状 5
1.3.1 国内研究现状 5
1.3.2 国外研究现状 6
1.4 有限元分析方法概述 6
1.5 本文主要研究内容 7
第二章 非线性有限元法求解结构极限强度论述 8
2.1 引言 8
2.1.1 有限元分析目的 8
2.1.2 有限元分析软件 8
2.2 主要存在问题 8
2.3 主要分析方法 11
2.3.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 1.4 有限元分析方法概述 6
1.5 本文主要研究内容 7
第二章 非线性有限元法求解结构极限强度论述 8
2.1 引言 8
2.1.1 有限元分析目的 8
2.1.2 有限元分析软件 8
2.2 主要存在问题 8
2.3 主要分析方法 11
2.3.1 方法概述 11
2.3.2 静态和准静态分析法的比较 13
2.4 本章小结 13
第三章 有限元模型的建立 14
3.1 引言 14
3.2主要参数 14
3.3 有限元模型 15
3.3.1 坐标系统 15
3.3.2 模型范围 15
3.3.3 网格划分 16
3.4 本章小结 19
第四章 有限元仿真计算 20
4.1 引言 20
4.2 有限元仿真计算 20
4.2.1 准确性验证 20
4.2.2 超大型浮体 21
4.2.3 仿真结果分析 22
4.3 本章小结 28
第五章 初步变形、板厚等对极限承载能力的影响 29
5.1 引言 29
5.2 初始变形及板厚等的影响 29
5.2.1初始变形的影响 29
5.2.2 板厚的影响 31
5.3 本章小结 33
结语 34
致谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 选题的背景与意义
很早以前人类就开始开发利用海洋资源，起初人类采用填海造地和排水围垦的方法来扩展陆地空间。如今，人口急剧增长，世界经济的快速发展使得人类对能源的需求猛然增加，所以，在现如今石油有着很关键的作用。对海洋能源的开发迫在眉睫，世界各国的目光投向了蓝色的海洋，海洋强国已不再是口号，必须付之行动。占据地球大部分面积的海洋拥有丰富的资源，包括化学资源，矿产资源，生物资源，动力资源等等。海洋经济时代已经到来，21世纪的人类将大步的向海洋进军。许多新兴产业也随之形成，比如海洋油气工业，深海采矿等等。但是到深水海域进行开发，继续使用早期的那种填海和围垦这些原始办法是完全行不通的。这些方法有着致命的缺点：工期非常长、破坏生态环境。并且人们不是需要海洋变为陆地，而是一个可以在上面进行作业的平台基地。目前，在深海开发方面如何更加有效的利用海上空间是各界关注的焦点。近年来，海洋平台有了长足的发展，各种超大型浮体结构也应运而生。[1][2][3]
超大型浮体结构（Very?Large?Floating?Structure）是指长、宽具有公里数量级、而高度为数米或数十米的长大扁平的钢制体结构，他和常见的大型船舶和海洋石油平台还是有很大区别的。超大型浮体结构由于其很小的高长比，使它成为不同于普通刚性浮体的柔性结构。它一般建在离岸几十米的开敞式海域，作为开发海洋资源的基础设施，超大型浮体结构是一个复合型的系统，主体由相互联结的模块组成，其他还有系留装置、海域防护设施等组成。[4]
超大型浮体主要应用于以下三个方面：⑴海上作业时需要在合适海域的科研基地，中转站，海上机场等。⑵沿海城市陆上基础设施外移，如核电站，垃圾处理厂，以此降低城市污染。⑶军事用途：可在国际水域建立可行的军事基地，从而来控制一些地区的政治军事局势。结合我国目前的国情来看，上述的三点都非常有开发前景和研究意义。所以我国很多的科研人员都积极倡导和研究开发超大型海洋浮式结构物。[4]
超大型浮体大多在深水海域工作，工作环境异常恶劣，暴风，海浪，海流，以及冰载荷的联合作用使得钢结构容易遭到腐蚀和破坏甚至整个结构的倒塌破坏。再加上不合理的设计，交变载荷引起的构件疲劳，海水的长期浸泡腐蚀都会增加浮体结构受到的载荷，减少其承载能力。而一旦浮体结构失效或者倒塌都会带来生命威胁以及重大经济损失甚至严重的海洋环境污染。[4]
历史上海上超大型浮体的事故也不少，造成了一系列社会问题和经济损失。例如：2005年8月美国墨西哥湾数千座海上结构物因为飓风卡特里娜(Katrina)的光临，其中90％被迫停止工作，50多座采油平台不同程度的被损坏或直接被摧毁，有6座大型钻井平台系缆断裂脱离系泊位置。此次事故引起各界的高度重视，相关专家组成相关工作小组对事故进行分析研究，寻求合理评估方法制定合适判定标准。在2006年，我国第一座深水平台——南海东部流花油田浮式生产储油装置遭受台风“珍珠”的袭击，台风共造成7根锚链和3根立管断裂，平台因此停产多日，巨大的经济损失在所难免。[5]为了避免发生事故，使超大型浮体结构免受破坏或者失效是必要的方法，也就是确保超大型浮体结构在有可能的外载荷下拥有必要的强度储备以满足平台极限强度评估的方法，这也是能够确保超大型浮体结构完整性不受到破坏的有效方法。在设计阶段和建成阶段，我们要充分考虑结构的极限承载力问题，对其进行良好的评估，国际方面，海洋工程领域目前对这方面极限强度的分析研究的重视程度非常之高。在设计阶段我们需要考虑大型浮体结构的极限强度问题，新建成的超大型浮体结构也需要得到相应极限强度的评估后才能投入
第一章 绪论 1
1.1 选题的背景与意义 1
1.2 结构极限强度的计算方法 2
1.2.1 直接计算法 2
1.2.2 逐步破坏法 3
1.2.3 非线性有限元法 4
1.3 国内外研究现状 5
1.3.1 国内研究现状 5
1.3.2 国外研究现状 6
1.4 有限元分析方法概述 6
1.5 本文主要研究内容 7
第二章 非线性有限元法求解结构极限强度论述 8
2.1 引言 8
2.1.1 有限元分析目的 8
2.1.2 有限元分析软件 8
2.2 主要存在问题 8
2.3 主要分析方法 11
2.3.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 1.4 有限元分析方法概述 6
1.5 本文主要研究内容 7
第二章 非线性有限元法求解结构极限强度论述 8
2.1 引言 8
2.1.1 有限元分析目的 8
2.1.2 有限元分析软件 8
2.2 主要存在问题 8
2.3 主要分析方法 11
2.3.1 方法概述 11
2.3.2 静态和准静态分析法的比较 13
2.4 本章小结 13
第三章 有限元模型的建立 14
3.1 引言 14
3.2主要参数 14
3.3 有限元模型 15
3.3.1 坐标系统 15
3.3.2 模型范围 15
3.3.3 网格划分 16
3.4 本章小结 19
第四章 有限元仿真计算 20
4.1 引言 20
4.2 有限元仿真计算 20
4.2.1 准确性验证 20
4.2.2 超大型浮体 21
4.2.3 仿真结果分析 22
4.3 本章小结 28
第五章 初步变形、板厚等对极限承载能力的影响 29
5.1 引言 29
5.2 初始变形及板厚等的影响 29
5.2.1初始变形的影响 29
5.2.2 板厚的影响 31
5.3 本章小结 33
结语 34
致谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 选题的背景与意义
很早以前人类就开始开发利用海洋资源，起初人类采用填海造地和排水围垦的方法来扩展陆地空间。如今，人口急剧增长，世界经济的快速发展使得人类对能源的需求猛然增加，所以，在现如今石油有着很关键的作用。对海洋能源的开发迫在眉睫，世界各国的目光投向了蓝色的海洋，海洋强国已不再是口号，必须付之行动。占据地球大部分面积的海洋拥有丰富的资源，包括化学资源，矿产资源，生物资源，动力资源等等。海洋经济时代已经到来，21世纪的人类将大步的向海洋进军。许多新兴产业也随之形成，比如海洋油气工业，深海采矿等等。但是到深水海域进行开发，继续使用早期的那种填海和围垦这些原始办法是完全行不通的。这些方法有着致命的缺点：工期非常长、破坏生态环境。并且人们不是需要海洋变为陆地，而是一个可以在上面进行作业的平台基地。目前，在深海开发方面如何更加有效的利用海上空间是各界关注的焦点。近年来，海洋平台有了长足的发展，各种超大型浮体结构也应运而生。[1][2][3]
超大型浮体结构（Very?Large?Floating?Structure）是指长、宽具有公里数量级、而高度为数米或数十米的长大扁平的钢制体结构，他和常见的大型船舶和海洋石油平台还是有很大区别的。超大型浮体结构由于其很小的高长比，使它成为不同于普通刚性浮体的柔性结构。它一般建在离岸几十米的开敞式海域，作为开发海洋资源的基础设施，超大型浮体结构是一个复合型的系统，主体由相互联结的模块组成，其他还有系留装置、海域防护设施等组成。[4]
超大型浮体主要应用于以下三个方面：⑴海上作业时需要在合适海域的科研基地，中转站，海上机场等。⑵沿海城市陆上基础设施外移，如核电站，垃圾处理厂，以此降低城市污染。⑶军事用途：可在国际水域建立可行的军事基地，从而来控制一些地区的政治军事局势。结合我国目前的国情来看，上述的三点都非常有开发前景和研究意义。所以我国很多的科研人员都积极倡导和研究开发超大型海洋浮式结构物。[4]
超大型浮体大多在深水海域工作，工作环境异常恶劣，暴风，海浪，海流，以及冰载荷的联合作用使得钢结构容易遭到腐蚀和破坏甚至整个结构的倒塌破坏。再加上不合理的设计，交变载荷引起的构件疲劳，海水的长期浸泡腐蚀都会增加浮体结构受到的载荷，减少其承载能力。而一旦浮体结构失效或者倒塌都会带来生命威胁以及重大经济损失甚至严重的海洋环境污染。[4]
历史上海上超大型浮体的事故也不少，造成了一系列社会问题和经济损失。例如：2005年8月美国墨西哥湾数千座海上结构物因为飓风卡特里娜(Katrina)的光临，其中90％被迫停止工作，50多座采油平台不同程度的被损坏或直接被摧毁，有6座大型钻井平台系缆断裂脱离系泊位置。此次事故引起各界的高度重视，相关专家组成相关工作小组对事故进行分析研究，寻求合理评估方法制定合适判定标准。在2006年，我国第一座深水平台——南海东部流花油田浮式生产储油装置遭受台风“珍珠”的袭击，台风共造成7根锚链和3根立管断裂，平台因此停产多日，巨大的经济损失在所难免。[5]为了避免发生事故，使超大型浮体结构免受破坏或者失效是必要的方法，也就是确保超大型浮体结构在有可能的外载荷下拥有必要的强度储备以满足平台极限强度评估的方法，这也是能够确保超大型浮体结构完整性不受到破坏的有效方法。在设计阶段和建成阶段，我们要充分考虑结构的极限承载力问题，对其进行良好的评估，国际方面，海洋工程领域目前对这方面极限强度的分析研究的重视程度非常之高。在设计阶段我们需要考虑大型浮体结构的极限强度问题，新建成的超大型浮体结构也需要得到相应极限强度的评估后才能投入
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