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1、有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用_省略_用ANSYS程序的导管架平台结 杨树耕等 有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用(续1) 2000年10月?40?文章编号:1001-4500(2000)05-0040-07有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用(续1)第二讲采用ANSYS程序的导管架平台结构有限元分析杨树耕,藤明清,孟昭瑛,任贵永(天津大学建筑工程学院,天津300072) ANSYS程序单元库中的PIPE59单元是与空间梁单元类似的单元,可以考虑轴向拉压、扭转、弯曲变形,同时扩充了单元的海洋环境载荷,即浮力及波浪与海流载荷的计算功能。也可以退化为仅考虑轴
2、向变形的缆索单元。PIPE59单元的横截面是圆管形,通过指定外径与厚度确定。PIPE59单元支持线性与非线性材料,同时也支持大位移与大变形,还支持动力分析,可进行海洋环境载荷作用下的结构线性、非线性静力与结构线性、非线性动力分析。载荷计算中可以考虑管外壁上的附着层,在动力计算的附加质量计算中可以计入附连水质量与管内、外附着质量。 PIPE59单元模型见图1。1 引言——————————————————————————————————————————————— 由于ANSYS提供了支持圆管形构件的流体静力、动力效应的PIPE59单元,可以计算位于水中的圆管形构件的浮力、流力、波浪
3、力的静载荷与动载荷,采用PIPE59单元并结合ANSYS提供的空间单元BEAM4可以解决导管架平台的整体结构静力、动力有限元分析问题。ANSYS是进行导管架平台结构设计时能够采用的有限元分析软件的一个新的选择。2 PIPE59单元特性图1 PIPE59单元模型图2.1 单元位置总体坐标系的原点必须位于海面处,而且以垂第15卷 第5期 中 国 海 洋 平 台?41?单元可位于海水以上或浸没于海水中,也可处于半浸没状态。在初始状态,单元的节点不得进入泥面以下0.125De,De为圆管的外径加上2倍的海生物附着层厚度,对于泥面以下的结构,可用不计流体效应的PILE16单元模拟。对于大位移
4、问题,从第2个叠代步开始,如果节点进入泥面以下不超过10De,程序不提供错误信息并正常运行;超过10De但不超过2d,则提示警告信息但仍可运行;超过2d则中止运行。对于位于泥面处的单元则应附加间隙单元或接触单元。2.2 单元刚度矩阵———————————————————————————————————————————————PIPE59单元在考虑弯曲效应时,除了与扭转效应有关的单元刚度系数项以外,与三维梁单元的刚度矩阵相同,与扭转自由度有关的单元刚度系数由TT确定: 0TT=T0iL33Ma=(mw+mint+mins)L(D22mw=(1-??in)??0-Di)4其中:??圆管
5、壁的密度(程度输入值);??in为初应变(程序输入值)。mint为圆管内部流体与附件的单位长度的质量。mins=(1-??in)??i2(De-D20)4i圆管壁外附着物密度(程度输入值)。 ??2madd=(1-??in)CI??wDe4 CI外部流体的附加质量系数;———————————————————————————————————————————————??w圆管壁外流体密度(程度输入值)。对缆索单元的情况,除了与轴向位移自由度有关的单元质量系数项应乘以系数(Ma/Mt)以外,与三维杆单元的质量矩阵相同。2.4 单元载荷向量单元载荷向量包括两部分:(1)由流体静载荷效应
6、(浮力)引起的单位长度的分布力{F/L}b以及内压和温度载荷引起的轴向节点力{Fx}。(2)由流体动载荷效应(流力与波浪力)引起的单位长度的分布力{F/L}d。2.4.1 流体静载荷效应 对于完全浸没的单元,沿z轴正向作用的浮力为:2De{g}4其中:{F/L}b为浮力引起的单位载荷向量;Cb{F/L}b=Cb??w浮力系数(程序输入值);{g}加速度向量。2.4.2 流体动载荷效应流体动载荷效应可以是结构在静止流体中的运动引起,也可以是结构静止而流体运动引起,或结构与流体同时运动引起。流体的运动包括两部分,即流与波浪引起的流体质点运动。流的水平速度与方向可按沿z向的分布(最多8
7、,如果不考虑扭转效应如果考虑扭转效应 其中:GT为扭转刚度常数,为程序输入值;D0为外径,为程序输入值;Di为内径,Di=D0-2tw程度输入值;tw为圆管壁厚,为程序输入值;L———————————————————————————————————————————————为单元长度。单元刚度计算中,截面积A、载惯性矩I、截面极惯性矩J按下式计算:2A=(D20-Di)444(D0-Di)64J=2II= 在仅考虑轴向变形效应时,即缆索单元的情况,与三维杆单元的刚度矩
