自升式平台模态参数测试及有限元分析(附件)
摘 要摘 要随着人类社会的进步，开发海洋资源步伐在不断加快，自升式平台成为了海上油气资源勘探、开采的重要技术装备。然而，恶劣的海洋环境载荷会使自升式平台产生过大的船体位移及速度，从而发生屈服及断裂失效，且长期的船体振动使得平台极易发生疲劳失效现象；因此，自升式平台的动态响应特性将关系到整个平台的工作安全性能。本文首先研究了Super M2自升式平台桩腿的力学性能，并基于Abaqus/Aqua模块分析了自升式平台的动态响应特性。其主要研究内容及结论如下：1）首先研究了论文涉及的基础理论，包括波浪理论。波浪理论部分包括线性波浪理论、斯托克斯波理论和微幅波浪理论，给出了它们对应的基本公式，为后面的理论模型以及有限元分析提供了强力的理论基础。2）其次阐述了自升式平台的模态分析是船舶与海洋结构物固有特性分析的重要方法，介绍了模态分析方法的基本理论以及模态分析的基本方法。3）接着介绍了自升式平台的建模方法及相关结构参数，通过模态分析得到了自升式平台的前十阶固有频率及振型图，基于Stokes波浪理论分析了站立工况下自升式平台的动态响应。4)最后介绍了时域（锤击法）的自升式平台模态试验方案和过程。时域的自升式平台模态试验是使用的单点分区激励多点三向拾振的测试方法，锤击法具有快速、简捷、易操作等优点，但是对人为的操作技术有较高的要求。锤击法试验中激励点的选取对实验结果十分重要。此外锤击方向还要和自升式平台的三个坐标都要成一定的角度。关键字：自升式平台；动态响应；桩腿；Abaqus/Aqua；锤击法 目录
第一章 绪论 1
1.1研究目的和意义 2
1.2 自升式平台国内外研究现状 3
1.2.1 平台国内研究现状 4
1.2.2 平台国外研究现状 4
1.2.3国内外研究存在的问题 4
1.3研究内容 5
1.4本章小结 6
第二章 自升式平台的理论基础 7
2.1 微幅波理论 7
2.2 斯托克斯波理论 8
2.3 椭圆余弦波理论 10
2.4 线性波理论 11
2.5 本章小结 12
第三章 有限元分析理论 13
3.1 模态分析的概述 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3研究内容 5
1.4本章小结 6
第二章 自升式平台的理论基础 7
2.1 微幅波理论 7
2.2 斯托克斯波理论 8
2.3 椭圆余弦波理论 10
2.4 线性波理论 11
2.5 本章小结 12
第三章 有限元分析理论 13
3.1 模态分析的概述 13
3.2 有限元模态分析理论基础 13
3.3 有限元模态分析的基本方法 14
3.4本章小节 15
第四章 自升式平台的模态分析 15
4.1自升式平台概况 16
4.1.1自升式平台基本结构 16
4.1.2自升式平台工况 17
4.1.3 设计载荷 18
4.1.4边界条件 19
4.2自升式平台有限元模型建立 19
4.3自升式平台模态分析流程 21
4.4模态分析 24
4.5 本章小结 26
第五章 自升式平台模态试验 27
5.1自升式平台锤击法模态试验 27
5.2试验方案研究 27
5.3实验数据采集 28
5.4实验结果分析流程 28
5.5试验结果分析与讨论 37
5.6本章小节 38
结 语 38
致 谢 40
参 考 文 献 41
第一章 绪论
1.1研究目的和意义
海洋产业作为未来作为世界的经济型支柱性产业之一，其发展的潜力是非常的巨大，在世界海洋产业总产值逐年大幅上升的同时。且随着能源问题的日益突出，海洋油气的开发将是海洋工程中最主要的应用领域。并且随着发展船舶与海洋工程的同时，由于其技术关联度大，且技术含量非常高，可带动相关的行业科技进步的飞速发展。
在人类日常生活生产中，已经离不开化石能源，且随着化石能源作用的不断发现。它已经不仅成为我们主要的能源，而且也是一个非常重要的化工原料。随着世界经济的不断增长，工业的增长，石油的开采已经供不应求，并且伴随着全球对于石油的需求量越来越大。但是由于世界对于石油的依赖性，在短期内还没有办法用其它的新能源来代替。因此石油的开采和天然的气开采地域在不断的扩大。很早的时候人们在陆地上进行石油开采，伴随着现在科技的飞速发展，对于石油和天然气的开采领域，已经从陆地深层进军刀深海里。现在，人类已经发现广阔的海域蕴藏着巨大的石油天然气资源。在过去的几十年里，全世界范围内新发现的油田以及新增的油田量，陆地上的油田总量仅仅连一半都没有能占到，蕴藏丰富的油田几乎都是来自于海洋；同时专家表示，在全世界的所有资源中，来自海洋里的石油和天然气的储量大约占到了全球总资源的1/3，这是一个多么可观的数据，同时也提醒了我们：海洋里蕴含的资源基数是何等的大。
鉴于自升式海洋移动式平台的特殊性和重要性，尤其是自升式海洋移动式平台结构的静力分析就相对来说显得特别的重要。一方面，关键性构件必须通过静力分析和强度计算来保证其满足强度理论的要求。且通过对平台的静力分析，充分了解平台结构在各种海况条件下的内力分布情况，才能为平台的结构优化设计及有效控制重量提供较为可靠的依据，从而保证各个部分强度满足要求，从而使得各个构件尺寸优化满足条件，使得各个构件的设计恰到好处，在满足强度的条件下不造成材料的浪费。同时，通过静力分析，充分了解海洋平台的载荷的分布与平台强度的关系，可以更加合理的调整平台载荷的布局，优化平台的总体设计布局，另一方面，结构静力分析是为了准确显示平台的强度和刚度、为平台安全可靠的使用提供了更为科学的保证。
《2014年国内外油气行业发展报告》一文中指出：1）油气资源仍占据能源消费的主导地位，估计2030年油气资源占一次能源的比率约为56%，即便到2040年、2050年，油气资源的比率仍将会超过50%；2）我国石油消费量仍将保持2%—3%的增长速度，估计2015年全国石油消费量将会达到53367万吨，同比增加了3%，而成品石油需求将会初次突破3亿吨，达到30811万吨；3）2015年全国天然气的消费量将会达到2000亿立方，同比增加了9.3%，天然气的进口量约为650亿立方，同比增加了10.2%，且天然气对外依存度将会达到32.5%。按照国家相关的统计数据表明：1995年至2013年全国原油表观消费量逐年增加，国内原油产量增长速度较慢，且两者差值呈逐年增长的趋势；其中，2013年全国的原油表观消费量约为4.88亿吨，而全国产量仅为2.08亿吨，对外依存度为57.39%，这些数据给了我们一个警钟：我国对能源的需求越来越大，国家的发展需要更多的能源。
海洋装备学科是一门崭新的技术型学科，其研究的内容主要包括一下方面：
1）为海洋的开发和研究服务，提供理论支持；为保护海洋环境和保障海上工作安全服务，提供必要的设施和设备[2]。
2）海洋平台是海洋工程领域中最为重要的结构物形式[2]。
3）海洋平台的设计与建造水平是否先进是衡量一个国家海洋工程事业发展水平高低的关键[2]。
随着世界经济的日益发展，对资源的需求也越来越大，海洋里有着大量的资源，而自升式平台的发展可以成为采集海洋资源的重要途径，同时也为解决困扰人类生存和可持续发展的资源与环境两大问题展现了新的曙光。
海洋平台的分类如下图11所示：
图11 海洋平台的分类
1.2 自升式平台国内外研究现状
1.2.1 平台国内研究现状
1995年，季春群，孙东昌[3]等对自升式平台上的外载荷的作用机理进行了论述。2003年，徐长航，陈国明[4]等选用新型NewWave模型描述了随机波浪，运用非线性弹簧模拟了自升式平台桩靴与土壤的相互作用机理，综合考虑了动态响应的动力敏感性、非线性以及波浪载荷的随机性，并以波面极值出现前后的若干循环载荷对平台结构进行了动态响应分析。2006年，张金平，段艳丽[5]等对自升式平台波浪载荷的计算方法提出相关建议。2008年，任顺利[6]运用频域分析方法研究了张力腿平台的吃水深度及张力腿数量对平台整体动态性能的影响，并研究了该张力腿平台的短期动态响应。2009年，窦培林，杜训柏[7]等对JU2 000E型的自升式平台进行了模态分析，以得到平台模态质量和模态刚度矩阵，从而采用波浪谱分析方法对平台的动力响应进行了分析研究，在研究过程中，采用Morsion公
第一章 绪论 1
1.1研究目的和意义 2
1.2 自升式平台国内外研究现状 3
1.2.1 平台国内研究现状 4
1.2.2 平台国外研究现状 4
1.2.3国内外研究存在的问题 4
1.3研究内容 5
1.4本章小结 6
第二章 自升式平台的理论基础 7
2.1 微幅波理论 7
2.2 斯托克斯波理论 8
2.3 椭圆余弦波理论 10
2.4 线性波理论 11
2.5 本章小结 12
第三章 有限元分析理论 13
3.1 模态分析的概述 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3研究内容 5
1.4本章小结 6
第二章 自升式平台的理论基础 7
2.1 微幅波理论 7
2.2 斯托克斯波理论 8
2.3 椭圆余弦波理论 10
2.4 线性波理论 11
2.5 本章小结 12
第三章 有限元分析理论 13
3.1 模态分析的概述 13
3.2 有限元模态分析理论基础 13
3.3 有限元模态分析的基本方法 14
3.4本章小节 15
第四章 自升式平台的模态分析 15
4.1自升式平台概况 16
4.1.1自升式平台基本结构 16
4.1.2自升式平台工况 17
4.1.3 设计载荷 18
4.1.4边界条件 19
4.2自升式平台有限元模型建立 19
4.3自升式平台模态分析流程 21
4.4模态分析 24
4.5 本章小结 26
第五章 自升式平台模态试验 27
5.1自升式平台锤击法模态试验 27
5.2试验方案研究 27
5.3实验数据采集 28
5.4实验结果分析流程 28
5.5试验结果分析与讨论 37
5.6本章小节 38
结 语 38
致 谢 40
参 考 文 献 41
第一章 绪论
1.1研究目的和意义
海洋产业作为未来作为世界的经济型支柱性产业之一，其发展的潜力是非常的巨大，在世界海洋产业总产值逐年大幅上升的同时。且随着能源问题的日益突出，海洋油气的开发将是海洋工程中最主要的应用领域。并且随着发展船舶与海洋工程的同时，由于其技术关联度大，且技术含量非常高，可带动相关的行业科技进步的飞速发展。
在人类日常生活生产中，已经离不开化石能源，且随着化石能源作用的不断发现。它已经不仅成为我们主要的能源，而且也是一个非常重要的化工原料。随着世界经济的不断增长，工业的增长，石油的开采已经供不应求，并且伴随着全球对于石油的需求量越来越大。但是由于世界对于石油的依赖性，在短期内还没有办法用其它的新能源来代替。因此石油的开采和天然的气开采地域在不断的扩大。很早的时候人们在陆地上进行石油开采，伴随着现在科技的飞速发展，对于石油和天然气的开采领域，已经从陆地深层进军刀深海里。现在，人类已经发现广阔的海域蕴藏着巨大的石油天然气资源。在过去的几十年里，全世界范围内新发现的油田以及新增的油田量，陆地上的油田总量仅仅连一半都没有能占到，蕴藏丰富的油田几乎都是来自于海洋；同时专家表示，在全世界的所有资源中，来自海洋里的石油和天然气的储量大约占到了全球总资源的1/3，这是一个多么可观的数据，同时也提醒了我们：海洋里蕴含的资源基数是何等的大。
鉴于自升式海洋移动式平台的特殊性和重要性，尤其是自升式海洋移动式平台结构的静力分析就相对来说显得特别的重要。一方面，关键性构件必须通过静力分析和强度计算来保证其满足强度理论的要求。且通过对平台的静力分析，充分了解平台结构在各种海况条件下的内力分布情况，才能为平台的结构优化设计及有效控制重量提供较为可靠的依据，从而保证各个部分强度满足要求，从而使得各个构件尺寸优化满足条件，使得各个构件的设计恰到好处，在满足强度的条件下不造成材料的浪费。同时，通过静力分析，充分了解海洋平台的载荷的分布与平台强度的关系，可以更加合理的调整平台载荷的布局，优化平台的总体设计布局，另一方面，结构静力分析是为了准确显示平台的强度和刚度、为平台安全可靠的使用提供了更为科学的保证。
《2014年国内外油气行业发展报告》一文中指出：1）油气资源仍占据能源消费的主导地位，估计2030年油气资源占一次能源的比率约为56%，即便到2040年、2050年，油气资源的比率仍将会超过50%；2）我国石油消费量仍将保持2%—3%的增长速度，估计2015年全国石油消费量将会达到53367万吨，同比增加了3%，而成品石油需求将会初次突破3亿吨，达到30811万吨；3）2015年全国天然气的消费量将会达到2000亿立方，同比增加了9.3%，天然气的进口量约为650亿立方，同比增加了10.2%，且天然气对外依存度将会达到32.5%。按照国家相关的统计数据表明：1995年至2013年全国原油表观消费量逐年增加，国内原油产量增长速度较慢，且两者差值呈逐年增长的趋势；其中，2013年全国的原油表观消费量约为4.88亿吨，而全国产量仅为2.08亿吨，对外依存度为57.39%，这些数据给了我们一个警钟：我国对能源的需求越来越大，国家的发展需要更多的能源。
海洋装备学科是一门崭新的技术型学科，其研究的内容主要包括一下方面：
1）为海洋的开发和研究服务，提供理论支持；为保护海洋环境和保障海上工作安全服务，提供必要的设施和设备[2]。
2）海洋平台是海洋工程领域中最为重要的结构物形式[2]。
3）海洋平台的设计与建造水平是否先进是衡量一个国家海洋工程事业发展水平高低的关键[2]。
随着世界经济的日益发展，对资源的需求也越来越大，海洋里有着大量的资源，而自升式平台的发展可以成为采集海洋资源的重要途径，同时也为解决困扰人类生存和可持续发展的资源与环境两大问题展现了新的曙光。
海洋平台的分类如下图11所示：
图11 海洋平台的分类
1.2 自升式平台国内外研究现状
1.2.1 平台国内研究现状
1995年，季春群，孙东昌[3]等对自升式平台上的外载荷的作用机理进行了论述。2003年，徐长航，陈国明[4]等选用新型NewWave模型描述了随机波浪，运用非线性弹簧模拟了自升式平台桩靴与土壤的相互作用机理，综合考虑了动态响应的动力敏感性、非线性以及波浪载荷的随机性，并以波面极值出现前后的若干循环载荷对平台结构进行了动态响应分析。2006年，张金平，段艳丽[5]等对自升式平台波浪载荷的计算方法提出相关建议。2008年，任顺利[6]运用频域分析方法研究了张力腿平台的吃水深度及张力腿数量对平台整体动态性能的影响，并研究了该张力腿平台的短期动态响应。2009年，窦培林，杜训柏[7]等对JU2 000E型的自升式平台进行了模态分析，以得到平台模态质量和模态刚度矩阵，从而采用波浪谱分析方法对平台的动力响应进行了分析研究，在研究过程中，采用Morsion公
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