基于ANSYS的导管架平台模态分析

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1、第8卷第2期南通航运职业技术学院学报Vol．8No．22009年6月JOURNALOFNANTONGVOCATIONAL＆TECHNICALSHIPPINGCOLLEGEJun．2009基于ANSYS的导管架平台模态分析蔡厚平，谢云飞（南通航运职业技术学院船舶工程系，江苏南通226010）摘要：作为海洋油气开发的基础设施，海洋平台的安全性越来越受到人们重视。文章以某导管架平台为例，采用ANSYS模态分析，获得平台的模态振动规律，最终得出平台各方向的模态规律及薄弱部位。关键词：导管架平台；ANSYS；模态分析中图分类号：U674.38文献标识码：A文章编号：1671-9891（2009）02-

2、0056-030引言海洋工程结构包括沿岸结构物和近海结构物两类，实际研究中常指近海结构物，即与海上石油勘探及生产有关的海上石油钻井平台、生产平台及相关结构。[1]海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础设施，其技术关系到海上油气资源能否有效利用。海洋平台长期处于恶劣的海洋环境中，受风、浪、流、冰、地震等自然环境作用，海洋工程结构的研究涉及结构力学、流体力学、土力学和海洋环境等学科。随着海洋平台的应用深度加大，新型海洋平台的出现，按常规设计方法计算已不能适应规范要求。ANSYS以其强大的分析计算功能，对海洋平台按规范进行结构静力、动力、材料非线性和几何非线性分析。[2]本文以ANSYS8.0为基

3、础，以某导管架平台为例，进行模态分析。1平台模型及特征参数1.1平台模型导管架平台由上层平台结构和下部导管架结构组成，底端通过桩基础固定。上部平台结构包括支撑框架和甲板，主要提供生产和生活场地，外形为矩形；下部导管架由一系列钢管焊接，主体为6根主导管，以细管件为撑杆，组成空间塔架结构，桩基础通过主导管插入海底。1.2平台简化及特性参数建模过程中对结构适当简化，将平台主体模拟成一层空间钢架，钢架与导管架的联结为固接。平台为全钢制平台，构件弹性模量EX=2.1×1011Pa，泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7800kg/m3。具体特性参数见表1所示。2平台模型的建立2.1平台网格划分根据所

4、采取的模型，甲板采用SHELL63单元，导管架和上部甲板框架的主要竖向支撑构件采用PIPE16单元，甲板平面的框架梁离散为BEAM4单元。采用命令流建模，平台模型如图1、图2所示。2.2边界条件根据导管架下部桩基础的实际工作状态和受力情况，考虑其下端在海底不能完全固支，计算时在海底土收稿日期：2008－12－06基金项目：2008年南通航运职业技术学院科研基金资助项目“基于ANSYS的海洋工程课程教学探索”（项目编号：2008B11）。作者简介：蔡厚平（1964—），男，江西南昌人，南通航运职业技术学院船舶工程系副教授。第2期蔡厚平，谢云飞：基于ANSYS的导管架平台模态分析57层以下3m采

5、用铰接，原理如图3所示。表1单元类型及特性参数实常数编号单元类型外径（m）壁厚（m）1PIPE1620.052PIPE1610.033PIPE160.80.034PIPE160.50.02截面积A（m2）IZ（m4）IY（m4）高度h（m）宽度b（m）5BEAM40.050.00030.00050.40.2厚度（Im）厚度J（m）厚度K（m）厚度L（m）6SHELL630.030.030.030.03图1平台几何线框模型图2平台有限元模型3平台的模态分析ANSYS程序在模态分析时将上部重量以质量形式考虑，换算成单位长度附加质量填入BEAM4单元的实常数表中（换算方法：单位长度附加质量=上部重

6、量线荷载/9.8）,其余荷载均去除。建模后，选择模态分析类型（modal），同时指定如下相应的分析选项：模态提取方法、提取振型数目、模态扩展数目和质量矩阵形成方式。最后进行结构自振分析求解，求解步骤完成后可利用后处理功能得到结构自振频率、对应振型及对应自振周期，同时与波浪振动周期比较。平台在使用期内面临诸多动荷载，将极大降低平台的安全可靠性。同时由于平台固有频率的存在，各种动载的激励作用造成平台的振动及其它不利影响，最终导致平台失效。因此对平台固有频率的模态分析是研究其在动荷载作用下安全性能的重要途径。本文采用模态分析方法，模拟计算平台的固有频率及相关振型。图4为平台典型的固有频率及相关参数

7、，图5为平台典型的振型图。图3平台所受位移约束图4平台不同阶次的固有频率58南通航运职业技术学院学报2009年一阶模态二阶模态三阶模态四阶模态五阶模态六阶模态图5平台不同阶次的振型图5平台的谐响应分析谐响应分析用于分析结构随时间按正弦规律变化的荷载作用的稳态响应，计算结构响应随频率的变化曲线。在平台模态分析的基础上，计算结构在前六阶固有频率范围内承受单位简谐荷载的位移响应曲线。结构UX-Frequency、U