波浪载荷作用下的导管架平台动力响应分析.pdf

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1、第32卷第2期2013年6月海洋技术OCEANTECHNOLoGYV01．32，No．2June，2013波浪载荷作用下的导管架平台动力响应分析李世龙，吴家鸣，刘昊宇(华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640)摘要：以由不同类型构件构成的导管架平台为对象，首先通过数值模拟计算组成导管架平台的每一构件的波浪载荷，然后以有限元算法建立导管架结构的力学模型，将计算所得波浪载荷施加到有限元力学模型上，在此基础上分析导管架平台在波浪环境栽荷作用下各构件关键位置的内力．以及设计者所需要了解的结构物在特定环境下结构的内力分布。所提出的方法可为导管架平台

2、在波浪力作用下构件外栽荷分析以及在这些栽荷作用下平台的动力响应特性评估提供手段。关键词：波浪栽荷；桁架结构；动力响应；有限元；导管架平台中图分类号：TV312文献标志码：B文章编号：1003—2029(2013)02-0066-07导管架平台是近海油气资源开发活动中常见的一种固定式桩基平台，在设计这类平台时，通常需要对其所受波浪载荷作用下平台的内力特性进行分析。目前，对像导管架平台这一类桁架式海洋结构物在海洋环境下的动力响应分析通常采用如SACS、MSC．PATRAN等商业软件去确定平台的整体波浪载荷，据此对平台在极限环境载荷下的结构强度进行判断

3、⋯。但是对于不同的波浪环境条件导管架平台不同的组成构件将会呈现怎样的一种动力响应?平台中不同构成成分对其整体结构强度的贡献如何?在非极限的波浪环境条件下组成平台的每一杆件是否都是安全的?目前对此类问题关注较少，而对这些问题的正确认识却有助于我们对导管架平台设计方案的合理选择做出准确的判断、为设计出结构形式合理的导管架平台提供前提和保障。本文以各种直径、杆件方向和长度各异的桩腿、水平撑杆以及斜撑等水下杆件为主要构成形式的导管架平台为对象，首先逐一计算组成导管架平台的每一杆件的波浪力，然后将所计算得到的波浪力以离散分布载荷的形式施加到平台有限元模型中

4、相应的杆件上，在此基础上分析在不同的波高、周期以及浪向等波浪环境下平台的动力响应，了解平台中不同的结构成分对整体波浪响应的贡献及其影响，观察不同的结构形式对波浪载荷响应的关系，为平台在波浪环境下整体波浪载荷对平台强度的影响提供评估依据。1平台的波浪载荷计算本文对组成平台杆件的波浪载荷采用Morison方程计算。根据Mofison方程，对于与波长相比杆件尺寸较小的导管架平台中任一方向的水下杆件，其垂直于杆件轴线单位长度上的波浪力矢量．广的一般形式可用下式表示：歹=六i+f,Ti+肛=c。aDO．孙CuP譬疗。⋯式中：CD、o为杆件的法向阻尼系数和附

5、加质量系数；D为杆件的直径；儿为海水密度；玩和疗。分别是与杆件轴线方向正交的速度和加速度矢量；I酣为加速度矢量l疗．I的模长。假设e为沿杆件轴线的单位矢量，即：虿=巳i+erj+巳七(2)则速度矢量以可通过下面的三重矢积表达：玩=uJ+u，歹+UJii=Ex面xE(3)u为沿杆件轴线方向的波浪水质点速度矢量，u=u,i+urj+H毋；由(3)式可以得到M：fUx：k，(1一《)一”，巳巳】=“，一e，exu，+ezu，){Uy=【-虬exey一虬乞ey]=-ey(exu，+ezttz)(4)【以=【-虬巳巳+％(1一P；)】=lfz一巳0，虬+巳

6、虬)以=(1一《)警一鲁Uy----．-ezey一巳勺鲁(5)吱=，巳鲁+(1一《等▲沿杆件轴线方向的单位矢量e的三个投影分量为：收稿日期：2013-02-01基金项目：国家自然科学基金资助项目(10772068)作者简介：李世龙(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为海洋结构物动Ll*il应分析。Email：734294526@qq．eom第2期李世龙，等：波浪载荷作用下的导管架平台动力响应分析67瞄≯㈤小酬种制㈩2导管架平台结构构件内力计算及其主要计算步骤在利用上节所介绍的作用在导管架平台上的波浪载荷计算方法的基础上，我们采用有限元法来

7、分析导管架平台框架结构内杆件的结构内力。计算中首先从平台桁架结构内杆件单元的水动力载荷分析人手，根据上节所计算得到的由于波浪引起的作用在特定杆件上的波浪载荷，按照有限元法数值计算的要求，以一定的离散节点分布力形式将这些波浪载荷分配在杆件上；然后，确定杆件单元内的位移、应变、应力模式、建立单元节点力与单元节点位移的关系；在此基础上建立杆件单元刚度矩阵；根据平台离散化结构的联接方式，将各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体剐度方程；通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力。作用在平台构

8、件上的波浪载荷分布确定后，采用有限元法来计算平台杆件结构内力，分为以下几个步骤进行：2．1结构离散化将平台的整个桁架结构进行离散化处理，