sesam软件自升式海洋平台强度的静力分析与校核
摘 要摘 要近几年随着世界能源市场对石油和天然气越来越大的需求，通过海洋平台对海洋油气的勘探和开采已经越来越获得世界的重视。但由于海洋平台所处的海洋环境特别复杂，环境载荷尤其是风、浪、流的耦合作用对平台的影响很大，平台整体的受力情况通常难以准确反映。因此，使用科学高效的分析和处理软件来研究和设计平台，才能保证平台在建造和后期使用过程的安全。本文以“DSJ400”自升式平台为研究对象，利用有限元分析软件SESAM的Genie模块，对自升式平台建立有限元模型，采用设计波法通过静力分析计算出作用于桩腿的波浪载荷，然后对主体和桩腿的分别进行静力分析和校核，研究了平台的结构特性和受力特点。最后根据规范进行强度校核。为此，本论文着重研究：选用斯托克斯波浪理论、莫里森方程及确定重力、风、波浪、海流等环境载荷；采用Sesam建立自升式平台的三维仿真模型；对重力、风、流和波浪等载荷进行多种工况的组合，分析、比较不同工况下平台所产生的位移以及所承受的最大应力；根据《CCS海上移动平台入级与建造规范》进行强度校核。关键词：自升式平台；有限元；强度分析和校核目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状及存在问题 1
1.3 国内外静力分析研究动态 3
1.4 本课题主要研究内容、方法和步骤 3
第二章 自升式平台环境载荷分析 5
2.1 风荷载 5
2.1.1 设计风速的选取 5
2.1.2 风荷载的计算 6
2.2 波浪载荷 8
2.2.1 波浪力 8
2.2.2 莫里森公式 10
2.3 流载荷计算 10
2.3.1 流速度 10
2.4 自由表面波基本方程与边界条件 11
2.4.1 基本方程 11
2.4.2 边界条件 11
2.4.3 系泊系统的动态响应分析方法 12
2.4.4 三维弹性杆理论 12
2.4.5 缆索动力控制方程 13
第三章 有限元法及Sesam软件 14
3.1 有限元法 14
3.2 SESAM
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表面波基本方程与边界条件 11
2.4.1 基本方程 11
2.4.2 边界条件 11
2.4.3 系泊系统的动态响应分析方法 12
2.4.4 三维弹性杆理论 12
2.4.5 缆索动力控制方程 13
第三章 有限元法及Sesam软件 14
3.1 有限元法 14
3.2 SESAM软件 15
3.2.1 SESAM软件简介 15
3.2.2 软件的组成和主要功能 15
3.2.3 SESAM软件总结 16
3.2.4 SESAM软件分析过程 17
3.3 本章小结 18
第四章 自升式平台有限元模型的建立 19
4.1 自升式钻井平台概况 20
4.1.1 平台主尺度 20
4.1.2 平台结构形式 20
4.2 建模 21
4.2.1 所用钢材设定及单元属性设置 21
4.2.2 建立平台模型 23
4.3 平台加载 25
4.3.1 重量载荷 25
4.3.2 边界约束 26
4.3.3 环境载荷 26
4.4 分析设置 33
4.5 自升式平台有限元模型的建立 35
4.5.1 主船体结构 36
4.5.2 桩腿有限元模型 37
4.6 建模过程中关键位置的连接以及边界条件的设置 38
4.6.1 桩腿和升降装置的连接 38
第五章 平台强度的有限元计算分析 40
5.1 工作载荷计算 40
5.2 环境载荷计算 41
5.3 主船体校核 43
5.4 桩腿结构强度校核 47
结 论 49
参考文献 50
致 谢 52
第一章 绪论
1.1 选题目的和意义
近几年随着世界能源市场对石油和天然气越来越大的需求，通过海洋平台对海洋油气的勘探和开采已经越来越获得世界的重视。开发和利用油气资源重要手段之一就是自升式平台。特别是当今海洋油气资源竞争愈发激烈，海洋平台的建造和开发尤为重要。海洋平台通常面临的环境条件非常严酷且平台投资高风险大 海洋平台体积庞大，结构比较复杂。它工作区域的海洋环境复杂多变，容易遭遇恶劣天气和自然灾害,飓风、海浪都会不停作用于结构甚至潮汐和海冰也会影响，如果工况不同,受力情况也会改变。在这样的环境条件下，长时间的海水浸泡导致腐蚀、平台材料逐渐老化、使用时间长了以后结构疲劳等这种因素，都会导致平台构件安全性能下降，也会影响平台的寿命。
在海洋平台研究发展的这么多年里,也发生了多起海洋平台的事故.这其中绝大部分都是由于没有充分认识海洋平台所处的恶劣环境的复杂性,也没有清楚了解平台服役的耐久度甚至安全度,最终导致了重大的经济损失。因此，使用科学高效的分析和处理软件来研究和设计平台，才能保证平台在建造和后期使用过程的安全。
对海洋平台结构的强度进行限元结构模型进行强度分析以及校核，目的是为了评估平台的结构设计是否安全合理，平台在各种载荷作用下是否保证结构的强度，这直接关系到平台的安全与适用。
1.2 国内外的研究现状及存在问题
1954年，全世界第一座钻井平台“德隆1号”建成，而在“德隆1号”完成的六个月后，由Bethlehem公司研发的 “嘎斯先生1号”顺利完工，这是首座沉淀支撑自升式平台。1956年，首座三腿自升式平台“天蝎号”也由美国设计研发顺利交付，这个平台也成了现代世界研究设计平台的模板和雏形。到了1963年，“Dixilyn250号”也顺利完工交付,这是首座斜桩腿式平台。1966年, “猎户星座号”自升式平台作为第一个可常年在北海工作也成功建成.三年后, “水星号”这个首座自航式平台也开始下水作业。而随着设计水平的提升、提升t建造材料的更新以及建筑技术的发展，自升式平台的作业水深和工作性能也得到大幅度。特别是建于03年的“波勃.帕尔卖号”更是打破了以往的记录，成功把工作水深提高到墨西哥湾的168m。根据全球的统计数据，截止到2012年年底，全球共计有379座自升式钻井平台，正在工作中的有293座，仍有80多座停工或待命，综合利用率比较高。
1972年，我国研发并建成了工作水深为33m的 “渤海一号”，这是液压自升式钻井平台，采用圆柱式桩腿.平台是自主设计开发建造，投入使用后,工作效率和质量都非常高一共打了几十口井,使用期间还遭遇了唐山大地震。实践证明,这个平台是合格的且打破了我国在自升式平台领域的空白。紧接着渤海石油公司又设计了40M自升式钻井平台,大连造船厂也在1983年建造了“渤海5号”和“渤海7号。这两个平台对升降机构进行了优化和改进，后来也成为了主力平台。
自行研究设计自主建造加上引进国外技术工艺,我国目前已经拥有可以在5至90米水深的海域打井的多种自升式钻井平台。1991年早期，在国务院重大项目“海滩和极浅海油气资源勘探开发装备技术研究”课题成果的基础上，由708所与大港油田共同提出研制适合于滩海和海图水深0~2.5m极浅海区域的自升式钻井平台。于是“港海一号”在98年三月建造完工。
近年来，我国经济发展速度也在不停加快，石油作为工业发展的核心能源，在我国的需求量也以惊人的数字增长。石油天然气资源的分布难题和开采技术的制约，目前原油国产量已经无法满足国内需求。同样由于国际局势等很多因素,能源安全问题也不容忽视。我国的海洋面积非常广阔，大陆架面积高达约130万平方千米，东海、黄海、
第一章 绪论 1
1.1 选题目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状及存在问题 1
1.3 国内外静力分析研究动态 3
1.4 本课题主要研究内容、方法和步骤 3
第二章 自升式平台环境载荷分析 5
2.1 风荷载 5
2.1.1 设计风速的选取 5
2.1.2 风荷载的计算 6
2.2 波浪载荷 8
2.2.1 波浪力 8
2.2.2 莫里森公式 10
2.3 流载荷计算 10
2.3.1 流速度 10
2.4 自由表面波基本方程与边界条件 11
2.4.1 基本方程 11
2.4.2 边界条件 11
2.4.3 系泊系统的动态响应分析方法 12
2.4.4 三维弹性杆理论 12
2.4.5 缆索动力控制方程 13
第三章 有限元法及Sesam软件 14
3.1 有限元法 14
3.2 SESAM
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
表面波基本方程与边界条件 11
2.4.1 基本方程 11
2.4.2 边界条件 11
2.4.3 系泊系统的动态响应分析方法 12
2.4.4 三维弹性杆理论 12
2.4.5 缆索动力控制方程 13
第三章 有限元法及Sesam软件 14
3.1 有限元法 14
3.2 SESAM软件 15
3.2.1 SESAM软件简介 15
3.2.2 软件的组成和主要功能 15
3.2.3 SESAM软件总结 16
3.2.4 SESAM软件分析过程 17
3.3 本章小结 18
第四章 自升式平台有限元模型的建立 19
4.1 自升式钻井平台概况 20
4.1.1 平台主尺度 20
4.1.2 平台结构形式 20
4.2 建模 21
4.2.1 所用钢材设定及单元属性设置 21
4.2.2 建立平台模型 23
4.3 平台加载 25
4.3.1 重量载荷 25
4.3.2 边界约束 26
4.3.3 环境载荷 26
4.4 分析设置 33
4.5 自升式平台有限元模型的建立 35
4.5.1 主船体结构 36
4.5.2 桩腿有限元模型 37
4.6 建模过程中关键位置的连接以及边界条件的设置 38
4.6.1 桩腿和升降装置的连接 38
第五章 平台强度的有限元计算分析 40
5.1 工作载荷计算 40
5.2 环境载荷计算 41
5.3 主船体校核 43
5.4 桩腿结构强度校核 47
结 论 49
参考文献 50
致 谢 52
第一章 绪论
1.1 选题目的和意义
近几年随着世界能源市场对石油和天然气越来越大的需求，通过海洋平台对海洋油气的勘探和开采已经越来越获得世界的重视。开发和利用油气资源重要手段之一就是自升式平台。特别是当今海洋油气资源竞争愈发激烈，海洋平台的建造和开发尤为重要。海洋平台通常面临的环境条件非常严酷且平台投资高风险大 海洋平台体积庞大，结构比较复杂。它工作区域的海洋环境复杂多变，容易遭遇恶劣天气和自然灾害,飓风、海浪都会不停作用于结构甚至潮汐和海冰也会影响，如果工况不同,受力情况也会改变。在这样的环境条件下，长时间的海水浸泡导致腐蚀、平台材料逐渐老化、使用时间长了以后结构疲劳等这种因素，都会导致平台构件安全性能下降，也会影响平台的寿命。
在海洋平台研究发展的这么多年里,也发生了多起海洋平台的事故.这其中绝大部分都是由于没有充分认识海洋平台所处的恶劣环境的复杂性,也没有清楚了解平台服役的耐久度甚至安全度,最终导致了重大的经济损失。因此，使用科学高效的分析和处理软件来研究和设计平台，才能保证平台在建造和后期使用过程的安全。
对海洋平台结构的强度进行限元结构模型进行强度分析以及校核，目的是为了评估平台的结构设计是否安全合理，平台在各种载荷作用下是否保证结构的强度，这直接关系到平台的安全与适用。
1.2 国内外的研究现状及存在问题
1954年，全世界第一座钻井平台“德隆1号”建成，而在“德隆1号”完成的六个月后，由Bethlehem公司研发的 “嘎斯先生1号”顺利完工，这是首座沉淀支撑自升式平台。1956年，首座三腿自升式平台“天蝎号”也由美国设计研发顺利交付，这个平台也成了现代世界研究设计平台的模板和雏形。到了1963年，“Dixilyn250号”也顺利完工交付,这是首座斜桩腿式平台。1966年, “猎户星座号”自升式平台作为第一个可常年在北海工作也成功建成.三年后, “水星号”这个首座自航式平台也开始下水作业。而随着设计水平的提升、提升t建造材料的更新以及建筑技术的发展，自升式平台的作业水深和工作性能也得到大幅度。特别是建于03年的“波勃.帕尔卖号”更是打破了以往的记录，成功把工作水深提高到墨西哥湾的168m。根据全球的统计数据，截止到2012年年底，全球共计有379座自升式钻井平台，正在工作中的有293座，仍有80多座停工或待命，综合利用率比较高。
1972年，我国研发并建成了工作水深为33m的 “渤海一号”，这是液压自升式钻井平台，采用圆柱式桩腿.平台是自主设计开发建造，投入使用后,工作效率和质量都非常高一共打了几十口井,使用期间还遭遇了唐山大地震。实践证明,这个平台是合格的且打破了我国在自升式平台领域的空白。紧接着渤海石油公司又设计了40M自升式钻井平台,大连造船厂也在1983年建造了“渤海5号”和“渤海7号。这两个平台对升降机构进行了优化和改进，后来也成为了主力平台。
自行研究设计自主建造加上引进国外技术工艺,我国目前已经拥有可以在5至90米水深的海域打井的多种自升式钻井平台。1991年早期，在国务院重大项目“海滩和极浅海油气资源勘探开发装备技术研究”课题成果的基础上，由708所与大港油田共同提出研制适合于滩海和海图水深0~2.5m极浅海区域的自升式钻井平台。于是“港海一号”在98年三月建造完工。
近年来，我国经济发展速度也在不停加快，石油作为工业发展的核心能源，在我国的需求量也以惊人的数字增长。石油天然气资源的分布难题和开采技术的制约，目前原油国产量已经无法满足国内需求。同样由于国际局势等很多因素,能源安全问题也不容忽视。我国的海洋面积非常广阔，大陆架面积高达约130万平方千米，东海、黄海、
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