圆筒型平台整体强度校核
本文主要针对的是半潜式圆筒型海洋平台的整体强度数值进行一系列的运算。由于半潜式海洋平台适应水深范围广、抗风浪能力强、甲板面积大和具有多种作业功能，现在被广泛运用于深海油气的勘探与开采。圆筒型平台是一种新型的海洋平台,和普通半潜平台相比，具有稳性好，可变载荷大的优点。海洋环境复杂，在平台服役期间要受到各种各样的环境载荷、固定载荷、可变载荷等一系列载荷的作用，在这些载荷的作用下平台可能超过其极限强度从而发生破坏。平台的整体强度校核是一份比较重要的研究课题，对海洋平台的屈服强度、屈曲强度以及疲劳强度校核都显得尤为的重要。本文通过理论分析，以及在建立有限元模型的基础上进行计算的方法计算出一座圆筒型半潜平台的整体强度。首先计算出百年一遇波浪力，然后利用其求出极限状态下该结构的屈服强度，由建模软件自带的插件计算得出该结构的屈曲强度。最后在对其疲劳强度进行校核分析。运用有限元软件GENIE建立与结构相应的有限元计算模型，计算出模型承受载荷下达到极限状态时的极限数值。对海洋平台整体强度数值的计算为下一步对海洋平台安全性能的分析提供了可靠的依据。关键词：圆筒型平台；整体强度；屈服强度；屈曲强度；疲劳强度目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2海洋平台的发展与利用 1
1.2.1海洋平台的发展历程 1
1.2.2国内外海洋平台的研究现状 2
1.2.3圆筒型平台的发展状况 2
1.3本文研究内容 3
第二章 海洋平台所受载荷 4
2.1半潜式海洋平台遭受的主要载荷 4
2.1.1波浪载荷 4
2.1.2 风载 7
2.1.3 流载荷 8
2.1.4 其他载荷 8
2.2 半潜式海洋水动力分析 9
2.2.1 小直径物体波浪力 9
2.2.2 大直径物体波浪力 10
2.2.3 流体计算软件 10
第三章 半潜式海洋平台结构分析 12
3.1 有限元原理 12
3.2 屈服强度校核 12
3.2.1 安全因子 13
3.2.2 计算工况 14
3.3 屈曲强度校
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
9
2.2.1 小直径物体波浪力 9
2.2.2 大直径物体波浪力 10
2.2.3 流体计算软件 10
第三章 半潜式海洋平台结构分析 12
3.1 有限元原理 12
3.2 屈服强度校核 12
3.2.1 安全因子 13
3.2.2 计算工况 14
3.3 屈曲强度校核 14
3.4 疲劳强度校核 16
第四章 圆筒型平台模型分析 19
4.1 模型的建立 19
4.2 载荷施加 26
4.3 工况组合 28
第五章 整体强度计算结果 31
5.1 整体屈服强度计算结果 31
5.2 整体屈曲强度计算结果 33
5.3 疲劳强度校核初涉 36
结 论 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
第一章 绪论
1.1引言
伴随着现代社会的节奏愈来愈快，人们对石油天然气等能源的需求也日益增长，所以因为能源问题而引起的国际矛盾冲突也是屡见不鲜。在陆地能源数量日渐匮乏的今天，海洋能源的勘探与开采成为了能源争抢的热点。在近几十年的勘探中，人们发现海洋中存在数量庞大的资源。在近海能源不断地被人们开发的同时，人们也将目光放到了深海。深海海域蕴藏着数量丰富的油气资源，并且这些油气资源都具有一定的易流动的的特殊性。然而其所在的位置又往往是有归属争议的海域，比如中国的南海。所以对深海的资源开采已经上升到了国家的战略目标。我国拥有300万平方公里的海域管辖面积，并且有着丰富的深海油气资源。对海洋油气的开发对我国的国民经济建设以及国家安全战略有着不可言喻的意义。与发达国家相比，我国的深海能源开发利用程度不高。在不久的将来深海会成为能源开采的主要战场，我们现在要大力发展海洋工程技术，向深海不断地进发。由于海洋平台处于恶劣复杂的工作环境，其整体的结构的强度校核是一个十分重要的问题。基于巨大的初始投资、平台上操作工人的人生安全以及平台破坏后给环境带来的巨大破坏等的因素，海洋平台是不容有失的。
1.2海洋平台的发展与利用
1.2.1海洋平台的发展历程
伴随着海洋能源的勘探和开采，各类海洋平台也应运而生。海洋平台的种类大体可以分为固定式平台和移动式平台两种。其中钢制导管架平台、混领土重力式平台。张力腿式平台以及牵索塔式平台属于固定式海洋平台。而属于移动式平台的有坐底式平台、自升式平台、钻井船和半潜式平台等。
早期的海洋平台都是固定式平台。1896年美国人以栈桥连陆的方式在距加利福尼亚海岸200米的浅海区域打出了第一口海上油井，这标志着海洋平台工业的诞生[1]。到了二十世纪，海洋平台技术的发展使得海洋能源的勘探和开采有了突飞猛进的发展。第二次世界大战后，海洋能源钻探开采的技术越发的先进，可以勘探和开采更深的海洋能源，并且能在复杂的海况下进行作业。50年代后，人们研制成功了各种移动式钻井平台，从而克服了固定式不能重复使用的弊端，并且大大的增加了海洋平台的工作水深。移动式海洋平台有着自己的提供浮力的结构，一些还拥有自己的动力系统，这样使得人们对海洋资源开发的进程
近年来，伴随着在降低初始投资以及减少海洋平台受力方面的不断开发和创新，开发出来许多优秀的浮式海洋平台。其中包括：FPSO(Floating ,Production, Storage and Offloading System，简称 FPSO)、Spar、半潜式平台 (Semisubmersible）、TLP (Tension Leg Platform，简称TLP)等等。
半潜式海洋平台具有适应水深范围广、抗风浪能力强、甲板面积大和具有多种作业功能等优点，现在在深海领域得到了广泛的运用。半潜式海洋平台在国际上有了长足的发展，国外的设计公司推出了半潜平台的系列产品。在国内外海洋工程结构物里半潜式海洋平台占据的比较大的比重。
1.2.2国内外海洋平台的研究现状
伴随着海洋资源开发的速度日益加快，海洋平台技术也在这期间得到了飞速的发展。由于半潜式平台的优良性能，自从1962年出现以来得到了广泛的利用以及充足的发展，在研究、设计以及制造方面积累了大量的经验。现在海洋资源开发越来越向深海发展，半潜式平台也进入了自己发展的黄金阶段。美国、挪威等对海洋资源的开发利用比较早的国家，对半潜式平台的利用也进入到了一个新的阶段。开发出了出钻井、生产外的一系列为海洋资源开发服务的辅助性质的平台。
我国的海洋资源开发起步较晚，目前我国的海洋工程技术多集中在浅海和近海海域，相比于国际上深海海洋工程技术的先进水平还有这一定的差距。采用半潜式平台进行深海钻探、生产已经成为了我国海洋工程发展的一种趋势。对半潜式平台的自主开发研究的情况相对而言比较落后。我国拥有的半潜式海洋平台大多是从国外购买的，拥有自主知识产权的平台数量较少。“海洋石油981”的出现为国内深海海洋工程技术点亮了一盏明灯。“海洋石油981”的原型是出自于美国ExD平台模型，是我国第一座拥有自主知识产权的半潜式深海平台。该平台属于国际先进的第六代半潜平台，为我国的深海资源开发、生产以及利用书写了新的篇章。
1.2.3圆筒型平台的发展状况
圆筒型平台是一种新型的海洋平台，可以用于钻井平台（Drilling），浮式储油平台（FSO），浮式生产储油平台（FPSO）和浮式生活平台（FAU）等。和普通半潜平台相比，具有稳性好，可变载荷大的优点。
2015年1月
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2海洋平台的发展与利用 1
1.2.1海洋平台的发展历程 1
1.2.2国内外海洋平台的研究现状 2
1.2.3圆筒型平台的发展状况 2
1.3本文研究内容 3
第二章 海洋平台所受载荷 4
2.1半潜式海洋平台遭受的主要载荷 4
2.1.1波浪载荷 4
2.1.2 风载 7
2.1.3 流载荷 8
2.1.4 其他载荷 8
2.2 半潜式海洋水动力分析 9
2.2.1 小直径物体波浪力 9
2.2.2 大直径物体波浪力 10
2.2.3 流体计算软件 10
第三章 半潜式海洋平台结构分析 12
3.1 有限元原理 12
3.2 屈服强度校核 12
3.2.1 安全因子 13
3.2.2 计算工况 14
3.3 屈曲强度校
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
9
2.2.1 小直径物体波浪力 9
2.2.2 大直径物体波浪力 10
2.2.3 流体计算软件 10
第三章 半潜式海洋平台结构分析 12
3.1 有限元原理 12
3.2 屈服强度校核 12
3.2.1 安全因子 13
3.2.2 计算工况 14
3.3 屈曲强度校核 14
3.4 疲劳强度校核 16
第四章 圆筒型平台模型分析 19
4.1 模型的建立 19
4.2 载荷施加 26
4.3 工况组合 28
第五章 整体强度计算结果 31
5.1 整体屈服强度计算结果 31
5.2 整体屈曲强度计算结果 33
5.3 疲劳强度校核初涉 36
结 论 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
第一章 绪论
1.1引言
伴随着现代社会的节奏愈来愈快，人们对石油天然气等能源的需求也日益增长，所以因为能源问题而引起的国际矛盾冲突也是屡见不鲜。在陆地能源数量日渐匮乏的今天，海洋能源的勘探与开采成为了能源争抢的热点。在近几十年的勘探中，人们发现海洋中存在数量庞大的资源。在近海能源不断地被人们开发的同时，人们也将目光放到了深海。深海海域蕴藏着数量丰富的油气资源，并且这些油气资源都具有一定的易流动的的特殊性。然而其所在的位置又往往是有归属争议的海域，比如中国的南海。所以对深海的资源开采已经上升到了国家的战略目标。我国拥有300万平方公里的海域管辖面积，并且有着丰富的深海油气资源。对海洋油气的开发对我国的国民经济建设以及国家安全战略有着不可言喻的意义。与发达国家相比，我国的深海能源开发利用程度不高。在不久的将来深海会成为能源开采的主要战场，我们现在要大力发展海洋工程技术，向深海不断地进发。由于海洋平台处于恶劣复杂的工作环境，其整体的结构的强度校核是一个十分重要的问题。基于巨大的初始投资、平台上操作工人的人生安全以及平台破坏后给环境带来的巨大破坏等的因素，海洋平台是不容有失的。
1.2海洋平台的发展与利用
1.2.1海洋平台的发展历程
伴随着海洋能源的勘探和开采，各类海洋平台也应运而生。海洋平台的种类大体可以分为固定式平台和移动式平台两种。其中钢制导管架平台、混领土重力式平台。张力腿式平台以及牵索塔式平台属于固定式海洋平台。而属于移动式平台的有坐底式平台、自升式平台、钻井船和半潜式平台等。
早期的海洋平台都是固定式平台。1896年美国人以栈桥连陆的方式在距加利福尼亚海岸200米的浅海区域打出了第一口海上油井，这标志着海洋平台工业的诞生[1]。到了二十世纪，海洋平台技术的发展使得海洋能源的勘探和开采有了突飞猛进的发展。第二次世界大战后，海洋能源钻探开采的技术越发的先进，可以勘探和开采更深的海洋能源，并且能在复杂的海况下进行作业。50年代后，人们研制成功了各种移动式钻井平台，从而克服了固定式不能重复使用的弊端，并且大大的增加了海洋平台的工作水深。移动式海洋平台有着自己的提供浮力的结构，一些还拥有自己的动力系统，这样使得人们对海洋资源开发的进程
近年来，伴随着在降低初始投资以及减少海洋平台受力方面的不断开发和创新，开发出来许多优秀的浮式海洋平台。其中包括：FPSO(Floating ,Production, Storage and Offloading System，简称 FPSO)、Spar、半潜式平台 (Semisubmersible）、TLP (Tension Leg Platform，简称TLP)等等。
半潜式海洋平台具有适应水深范围广、抗风浪能力强、甲板面积大和具有多种作业功能等优点，现在在深海领域得到了广泛的运用。半潜式海洋平台在国际上有了长足的发展，国外的设计公司推出了半潜平台的系列产品。在国内外海洋工程结构物里半潜式海洋平台占据的比较大的比重。
1.2.2国内外海洋平台的研究现状
伴随着海洋资源开发的速度日益加快，海洋平台技术也在这期间得到了飞速的发展。由于半潜式平台的优良性能，自从1962年出现以来得到了广泛的利用以及充足的发展，在研究、设计以及制造方面积累了大量的经验。现在海洋资源开发越来越向深海发展，半潜式平台也进入了自己发展的黄金阶段。美国、挪威等对海洋资源的开发利用比较早的国家，对半潜式平台的利用也进入到了一个新的阶段。开发出了出钻井、生产外的一系列为海洋资源开发服务的辅助性质的平台。
我国的海洋资源开发起步较晚，目前我国的海洋工程技术多集中在浅海和近海海域，相比于国际上深海海洋工程技术的先进水平还有这一定的差距。采用半潜式平台进行深海钻探、生产已经成为了我国海洋工程发展的一种趋势。对半潜式平台的自主开发研究的情况相对而言比较落后。我国拥有的半潜式海洋平台大多是从国外购买的，拥有自主知识产权的平台数量较少。“海洋石油981”的出现为国内深海海洋工程技术点亮了一盏明灯。“海洋石油981”的原型是出自于美国ExD平台模型，是我国第一座拥有自主知识产权的半潜式深海平台。该平台属于国际先进的第六代半潜平台，为我国的深海资源开发、生产以及利用书写了新的篇章。
1.2.3圆筒型平台的发展状况
圆筒型平台是一种新型的海洋平台，可以用于钻井平台（Drilling），浮式储油平台（FSO），浮式生产储油平台（FPSO）和浮式生活平台（FAU）等。和普通半潜平台相比，具有稳性好，可变载荷大的优点。
2015年1月
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