超大型浮体立柱与下浮体局部极限强度分析
海上超大型浮式结构物（VLFS）是由若干个小平台浮体通过撑杆连接器相连而成的一种海上结构物。由于能源经济、空间发展、政治因素，海上超大型浮式结构物在世界各国掀起广泛热潮。但国内对超大型浮体的研究还处于摸索当中，还未形成一系列的理论成果，因此要以超大型浮体强度为研究对象，从强度计算方法到分析不同工况的现象、原因和解决措施。本文以超大型浮体单模块为研究对象，重点研究立柱与下箱体局部结构的极限强度。采用了有限元软件ABAQUS建立立柱与下浮体仿真模型，采用准静态法计算了大型浮体局部结构在侧向力、轴向压力、纯弯曲和扭转等不同工况下的极限承载力，以及相应极限状态下的结构失效模式。在此基础上，进一步分析了板厚、加强筋的数量和初始缺陷对结构在轴向压力工况下的承载力影响。通过计算分析，得到如下结论： （1）单模块立柱与下浮体在沿长度侧向力作用下，极限承载力为207.8;在沿宽度侧向力作用下，极限承载力为205.1；在轴向受压作用下，极限承载力为295.58；在纯弯曲作用下，极限承载能力为3655.7；在扭转作用下，极限承载能力为1987。（2）板厚对于立柱与下浮体极限强度有影响，板厚度越大，极限承载能力越强。（3）加强筋的增设对结构极限承载力有影响，加强筋越多，极限承载能力越强。（4）初始变形的存在对结构极限承载能力有影响，且初始变形越大，极限承载能力越差。关键词：海上超大型浮体；局部强度；有限元分析 Keywords: Offshore very large floating body；Local strength； Finite element analysis 目录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景和意义 1
1.2超大型浮体国内、外研究现状 1
1.2.1超大型浮式结构物水弹性响应研究 2
1.2.2海上超大型浮式结构物结构强度 3
1.3本文研究内容 4
第二章 极限强度分析方法 6
2.1引言 6
2.2极限强度的研究方法 6
2.2.1经验与解析法 6
2.2.2数值计算法 7
2.2.2.1线性有限元法 7
2.2.2.2非线性有限元法 7
2.3有限元强
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2.2海上超大型浮式结构物结构强度 3
1.3本文研究内容 4
第二章 极限强度分析方法 6
2.1引言 6
2.2极限强度的研究方法 6
2.2.1经验与解析法 6
2.2.2数值计算法 7
2.2.2.1线性有限元法 7
2.2.2.2非线性有限元法 7
2.3有限元强度计算理论 9
2.3.1有限元法简介 9
2.3.2有限元法求解步骤 10
2.3.3有限元法的优点 10
2.3.4有限元法的缺点 10
2.4本章小结 11
第三章 简单梁的仿真模拟 12
3.1 引言 12
3.2 基于ABAQUS的直接计算方法 12
3.2.1 ABAQUS计算步骤 12
3.2.2 简单杆的有限元模型 13
第四章 超大型浮体立柱与下浮体局部极限强度分析 16
4.1 引言 16
4.2 海上超大型浮式结构物 16
4.2.1 主要参数 16
4.2.2 材料特性 18
4.3 基于ABAQUS的局部极限强度分析计算模型 19
4.3.1 坐标系统 19
4.3.2 结构的简化 19
4.3.2.1 T型材 19
4.3.2.2 其他结构的简化 20
4.4沿长度方向侧向受压 20
4.4.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 21
4.4.2 仿真计算结果 21
4.5 沿宽度方向侧向受压 23
4.5.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 23
4.5.2仿真计算结果 23
4.6 轴向受压 25
4.6.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 25
4.6.2仿真计算结果 25
4.7 纯弯曲 27
4.7.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 27
4.7.2仿真计算结果 27
4.8 扭转对于极限承载力的影响 29
4.8.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 29
4.8.2仿真计算结果 29
4.8.3超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 31
4.8.4仿真计算结果 31
4.9 本章小结 32
第五章 初始变形、板厚等因素对结构承载能力的影响 34
5.1 引言 34
5.2 板厚对于结构极限承载能力的影响 34
5.3加强筋的增设 36
5.4初始变形对结构极限承载力的影响 40
总结 44
致 谢 46
参 考 文 献 47
第一章 绪论
1.1课题的研究背景和意义
在早期人们对于海洋资源的利用就已经开始了，如填海造地来利用海洋广阔的空间。随着人类经济科技的迅猛发展，陆地资源逐渐枯竭，以及近海资源逐渐减少。全球能源需求日益增长的形势下，世界各国将能源资源开发的重点投向了本国深海油田。当然海洋资源是丰沛充裕的，但目前人类对深海资源的开发和利用还相当有限。越来越紧张的陆地资源和日渐严重的环境污染，使得人类迫切把解决问题的希望寄予在海洋资源开发中，并进一步向深海发展。我国经济与社会发展已进入大量消耗能源阶段，未来能源消费还将大幅增长，国内自身能源又十分贫乏，围绕能源而形成的国际政治、经济环境又复杂，这就决定了我们必须转向海洋方向，在这个硕大的海洋蛋糕中分得一份提高自身综合能力的机会。在近十年来，为了有效的利用海上空间和海洋资源开发，各种超大型浮体结构物，如海上浮式机场，海上钻井平台升值是浮动城市。这项大研究已经在世界各国掀起了广泛热潮。
从全球来看，西方发达国家在19世纪70年代已经开始了海洋大范围的生产与发展，随着时代的发展不断地开发，到2005年海洋开发开始进入全盛时期，并有望在2015年以后，向深海开发迎接海洋发展新的里程碑。目前国内中国海洋开发的迅猛发展，在渤海、南海等海域形成各系列的海上装备群。对于海洋开发一方面来讲，从另一角度看国际对海上结构物的研究成为热门，更为主要的原因有：
（1）开发和利用海洋资源必须要在恰当的海域建立资源开发和研究基地、海上中转基地、海上浮式机场。
（2）当沿海城市紧缺陆地资源或者避免环境污染，可以把一些原本建在陆地上的装备，如核电站、废物处理厂等，新建在近海海域，以避免环境污染。
（3）在国际水域建立必要的军情基地，可以提高国家在国际上的战略地位[1]。
1.2超大型浮体国内、外研究现状
海上超大型浮式结构物的概念最早出现在20世纪40年代，由于当时飞机的飞行能力无法在英美两国间实现直航，Armstrong Seadrome提出在英美国之间的大西洋上建造浮动的机场用于飞机的起降，于是直航问题得到解决。但是后来出现了大型飞机，具有较大的续航力，可实现两国之间的直航，于是此构想就被搁置。但大浮型结构的概念已经出现。1943年在二战的背景下美国海军采纳了这种海上飞机场的构想，建造了一座长553m，宽83m，高1.5m，吃水0.5m的导管架形式的浮式结构[2]。
图1-1 超大型
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景和意义 1
1.2超大型浮体国内、外研究现状 1
1.2.1超大型浮式结构物水弹性响应研究 2
1.2.2海上超大型浮式结构物结构强度 3
1.3本文研究内容 4
第二章 极限强度分析方法 6
2.1引言 6
2.2极限强度的研究方法 6
2.2.1经验与解析法 6
2.2.2数值计算法 7
2.2.2.1线性有限元法 7
2.2.2.2非线性有限元法 7
2.3有限元强
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2.2海上超大型浮式结构物结构强度 3
1.3本文研究内容 4
第二章 极限强度分析方法 6
2.1引言 6
2.2极限强度的研究方法 6
2.2.1经验与解析法 6
2.2.2数值计算法 7
2.2.2.1线性有限元法 7
2.2.2.2非线性有限元法 7
2.3有限元强度计算理论 9
2.3.1有限元法简介 9
2.3.2有限元法求解步骤 10
2.3.3有限元法的优点 10
2.3.4有限元法的缺点 10
2.4本章小结 11
第三章 简单梁的仿真模拟 12
3.1 引言 12
3.2 基于ABAQUS的直接计算方法 12
3.2.1 ABAQUS计算步骤 12
3.2.2 简单杆的有限元模型 13
第四章 超大型浮体立柱与下浮体局部极限强度分析 16
4.1 引言 16
4.2 海上超大型浮式结构物 16
4.2.1 主要参数 16
4.2.2 材料特性 18
4.3 基于ABAQUS的局部极限强度分析计算模型 19
4.3.1 坐标系统 19
4.3.2 结构的简化 19
4.3.2.1 T型材 19
4.3.2.2 其他结构的简化 20
4.4沿长度方向侧向受压 20
4.4.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 21
4.4.2 仿真计算结果 21
4.5 沿宽度方向侧向受压 23
4.5.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 23
4.5.2仿真计算结果 23
4.6 轴向受压 25
4.6.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 25
4.6.2仿真计算结果 25
4.7 纯弯曲 27
4.7.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 27
4.7.2仿真计算结果 27
4.8 扭转对于极限承载力的影响 29
4.8.1超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 29
4.8.2仿真计算结果 29
4.8.3超大型浮体立柱与下浮体的边界条件与加载 31
4.8.4仿真计算结果 31
4.9 本章小结 32
第五章 初始变形、板厚等因素对结构承载能力的影响 34
5.1 引言 34
5.2 板厚对于结构极限承载能力的影响 34
5.3加强筋的增设 36
5.4初始变形对结构极限承载力的影响 40
总结 44
致 谢 46
参 考 文 献 47
第一章 绪论
1.1课题的研究背景和意义
在早期人们对于海洋资源的利用就已经开始了，如填海造地来利用海洋广阔的空间。随着人类经济科技的迅猛发展，陆地资源逐渐枯竭，以及近海资源逐渐减少。全球能源需求日益增长的形势下，世界各国将能源资源开发的重点投向了本国深海油田。当然海洋资源是丰沛充裕的，但目前人类对深海资源的开发和利用还相当有限。越来越紧张的陆地资源和日渐严重的环境污染，使得人类迫切把解决问题的希望寄予在海洋资源开发中，并进一步向深海发展。我国经济与社会发展已进入大量消耗能源阶段，未来能源消费还将大幅增长，国内自身能源又十分贫乏，围绕能源而形成的国际政治、经济环境又复杂，这就决定了我们必须转向海洋方向，在这个硕大的海洋蛋糕中分得一份提高自身综合能力的机会。在近十年来，为了有效的利用海上空间和海洋资源开发，各种超大型浮体结构物，如海上浮式机场，海上钻井平台升值是浮动城市。这项大研究已经在世界各国掀起了广泛热潮。
从全球来看，西方发达国家在19世纪70年代已经开始了海洋大范围的生产与发展，随着时代的发展不断地开发，到2005年海洋开发开始进入全盛时期，并有望在2015年以后，向深海开发迎接海洋发展新的里程碑。目前国内中国海洋开发的迅猛发展，在渤海、南海等海域形成各系列的海上装备群。对于海洋开发一方面来讲，从另一角度看国际对海上结构物的研究成为热门，更为主要的原因有：
（1）开发和利用海洋资源必须要在恰当的海域建立资源开发和研究基地、海上中转基地、海上浮式机场。
（2）当沿海城市紧缺陆地资源或者避免环境污染，可以把一些原本建在陆地上的装备，如核电站、废物处理厂等，新建在近海海域，以避免环境污染。
（3）在国际水域建立必要的军情基地，可以提高国家在国际上的战略地位[1]。
1.2超大型浮体国内、外研究现状
海上超大型浮式结构物的概念最早出现在20世纪40年代，由于当时飞机的飞行能力无法在英美两国间实现直航，Armstrong Seadrome提出在英美国之间的大西洋上建造浮动的机场用于飞机的起降，于是直航问题得到解决。但是后来出现了大型飞机，具有较大的续航力，可实现两国之间的直航，于是此构想就被搁置。但大浮型结构的概念已经出现。1943年在二战的背景下美国海军采纳了这种海上飞机场的构想，建造了一座长553m，宽83m，高1.5m，吃水0.5m的导管架形式的浮式结构[2]。
图1-1 超大型
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