半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析

江苏科技大学

科生毕业设计(论

学 院 船舶与海洋工程

专 业 船舶与海洋工程

学生姓名 王杰

班级学号 1040101128

指导老师 施兴华

二零一四年六月 文) 本

江苏科技大学本科生毕业论文

半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析

Ultimate strength analysis of semi-submersible drilling platform deck

structure

摘 要

人们对陆地和近海资源过度开发，导致陆地和近海资源快要枯竭，所以海洋石油的开发必须要从近海向深水地区发展。随着海洋石油资源开采事业日益发展，半潜式钻井平台在海洋油气开采工作中板眼了越来越重要的角色。其安全问题也引起了重视，为了确保平台的结构安全，十分有必要对钻井平台进行极限强度分析。

本文的主要研究内容是：对国内外对平台极限强度分析的现状进行了了解，学习了有限元分析的理论知识，阐述了非线性问题的来源以及解决非线性问题的方法，以平台甲板结构为例进行了研究。本文对ANSYS 软件的发展过程以及功能进行了简要的介绍。本文学习、总结了以前在极限强度方面的理论成果，以半潜式平台甲板结构为研究对象，应用大型有限元软件ANSYS 对结构进行建模，对其施加载荷，进行有限元分析，计算出极限强度。

关键词：半潜式平台；甲板；极限强度；ANSYS

Abstract

People overexploited land and offshore resources, which leading to the depletion of onshore and offshore resources soon, so we have to search for resources from offshore to deep water offshore areas. With the exploitation of offshore petroleum resources career growing, semi-submersible drilling platform plays an increasingly important role in the offshore oil and gas exploration work. Its security issue also attracted our attention. For the purpose of ensuring the structural safety of the platform, analyzing the ultimate strength of the drilling platform is becoming more and more necessary.

In this article, we can know something about the current situation of the ultimate strength analysis at home and abroad and learn the theoretical knowledge of finite element analysis. The article also describes the nonlinear problem of sources and methods to solve nonlinear problems. We take the platform deck as an example for the study. This particle also introduces the development process and function of the ANSYS software. This article studied and summarized the previous theoretical results in aspects of the ultimate strength. We took the platform deck structure as an example for study. We made a structural model with finite element software ANSYS and analyze its ultimate strength of finite element. Keywords: Semi-submersible drilling platform;Deck ; Ultimate

strength; ANSYS

目录

第一章 绪论 ............................................... 2

1.1 研究背景 ..................................................................................................................... 1

1.2 研究的意义 ............................................................................................................... 2

1.3 半潜式平台研究现状 ................................................................................................. 2

1.4 平台极限强度国内外研究现状 ............................................................................... 4

1.5 本文的主要工作 ......................................................................................................... 6

第二章 结构极限强度分析 ................................... 7

2.1 半潜式平台极限强度计算方法 ............................................................................... 7

2.1.1 基本假定 ........................................................................................................ 8

2.1.2 简化逐步破坏分析法计算极限强度过程 .................................................... 8

2.1.3 半潜式平台极限强度的预判 ........................................................................ 9

2.2 有限元分析法 ........................................................................................................... 10

2.2.1 有限元分析法的起源和概述 ...................................................................... 10

2.2.2 基础性原理 .................................................................................................. 11

2.2.3 非线性有限元分析需考虑的问题 ............................................................ 11

2.3 本章小结 ................................................................................................................. 12

第三章 ANSYS软件简介 .................................... 13

3.1 ANSYS软件的发展过程 .......................................................................................... 13

3.2 ANSYS软件的使用环境 .......................................................................................... 13

3.2 ANSYS软件的功能 .................................................................................................. 14

3.3 ANSYS软件的技术特点 .......................................................................................... 14

3.4 ANSYS软件的非线性有限元分析 .......................................................................... 15

第四章 平台甲板结构的极限强度分析 ........................ 16

4.1 建立模型 ................................................................................................................... 16

4.1.1 模型参数 ...................................................................................................... 17

4.1.2 建立平台甲板模型 ...................................................................................... 19

4.2 加载计算 ................................................................................................................... 23

4.3 结果分析 ................................................................................................................... 24

总结与展望 ............................................... 34

致 谢 . ................................................... 36

参考文献 ................................................. 37

第一章 绪论

1.1 研究背景

海洋面积占了地球表面积的很大比例，高达70.9%，海洋的平均深度约为3730米，水深在200—6000米的范围内的海洋高达90%，至今为止，还有大量的海域尚未开发，特别是海洋油气等重要资源。一旦这些资源被合理开发，如今巨大的能源压力就会迎刃而解。若要开采利用海洋油气资源, 人们需要在海上建造安装一些海洋工程结构物，这是众所周知的。这类海洋工程结构物主要功能是对海洋进行开发和利用, 比如石油的勘探和开采。现今，固定式和移动式海洋平台是最主要的两种类型的海洋结构物。

半潜式平台最早出现在1962年，现在已经进入了一个全新的发展阶段。在深水海洋油气的开发过程中，由于成本和自重两方面的原因，重力式和导管架平台都不能投入使用。因此半潜式平台凭借其较大的工作水深、良好的移动性能、较高的可变载荷、受波浪影响较小等多方面的优点，逐渐成为海洋油气开发的重要工具。

半潜式钻井平台在作业时，它是始终漂浮在水面上的，受力情况十分复杂。因为半潜式平台仅仅依赖锚泊设备或者动力定位装置保持在某一特定地点，在各种环境载荷，如风、浪、流的作用下，平台一直处于运动状态，较为不稳定。另外，海洋平台不像普通船舶一样可以避开风浪的侵袭，在极其恶劣的海况下，也只能暴露其中，不可以躲避。

为了避免事故的发生，就必须确保海洋平台的完整性，就是要保证海洋平台不被破坏或者不失效。而保证的平台完整性最好的方法，就是评估平台的极限强度，即确保平台在可能的极限外载荷下充裕的强度储备。我们可以通过对海洋平台的极限强度分析，从而获知海洋平台整体的极限承载能力和各构件的最大承载能力，以便对承载能力较弱的部分进行适当的加强，保证平台的安全；也可以对承载能力较强的构件适度削弱一些，从而使平台能够得到较为合理的配置，做到资源最大化利用。

1.2 研究的意义

半潜式平台的立柱保证了其稳性，所以半潜式平台又被称为柱稳式平台。半潜式平台的固有周期很大，因为它的水线面面积很小，与波谱主要成分波发生谐振的可能性十分低，因此减小运动响应的目的可以实现；浮体处于水线面以下的位置，波浪力的作用因此被大大削弱。当波长和平台长度是比值是特定的值时，立柱与浮体受到的波浪作用力大小差不多，可以相互抵消，这样的话，平台上受到的作用力相对较小，在理论上可以等于零。半潜式平台在深海资源开发中具有其他平台无法媲美的优势，都要归功于其强大的抗风浪能力、优异的运动性能、巨大的装载容量、超高的作业效率等一系列优点。目前第六代半潜式平台已经在研发中，它有更强的实用性。此外，第六代半潜式平台采用了DP3动力定位系统，不仅能够在深海水域进行油气开采，还能抵御恶劣的海况。

但是，半潜式平台并不是绝对完美的。半潜式不能像船舶一样停靠在岸边，它始终浮于水面上，因此其受力十分复杂的。半潜式平台一般会受到风力、波浪力和海流力等力的作用，所以半潜式平台一直处于不规则的运动的状态，动力响应较为复杂。显而易见，半潜式海洋平台处于一个十分恶劣的海况，并且锚泊系统定位是唯一的依靠，所以相比于船舶，半潜式平台的事故率会较高，造成的损失也不可估量。例如：1961年Texas 平台遭遇极端风暴而沉没，不仅造成重大经济损失，同时有28人也不幸遇难。再举出一次非常惨重的事故的例子，巴西的P-36号平台作为世界上罕有的大型钻井平台，原本强力推进巴西的经济发展，帮助巴西经济实现质的飞越。但是，在2001年3月该钻井平台倾塌，对巴西的经济社会发展造成了不小的影响。接连不断发生的事故引发了人们的恐慌，所以海洋平台的结构强度引起了专家学者们的注意。

综上所述，为了提高半潜式钻井平台使用的安全性，对半潜式钻井平台极限强度进行计算与分析，是具有重大意义的，同样是不可或缺的。

1.3 半潜式平台研究现状

1962年，壳牌石油公司建造了世界上第一艘半潜式平台 “BlueWater I ”，经过50多年的研究和发展，海洋平台在各方面都发生了巨大的变化。至今为止，半潜式

平台在短短半个世纪里完成了从第一代到第六代的升级。

半潜式平台的主体结构一般可分为四种：上部箱体结构、下浮体、立柱和撑杆。现在主流的半潜式平台一般由上部矩形的箱形结构和多个下浮体结构组成。第五、六代相比较前期的半潜式平台，有着以下特点和优势：

（1）外形结构简化：最初平台的立柱数目大多为6根、8根，现今已减少到4根，数目大幅下降，撑杆节点的形式被简化。原先平台的下浮体是鱼雷形、船形，现在已简化成简单的箱形结构，甲板主体也变成规则的箱形，且有1—2m 的双层底。

（2）工作水深范围明显增加：现在的有近1/3的半潜式平台的工作水深超过1829m ，远大于1977年以前的水平。专家们预测，工作水深达到4000—5000m 的半潜式平台有望在20年内被建造出来。

（3）采用强度更高的钢材：目前，高强度钢（σ=420MPa—460MPa ）的使用率较高，更高强度的钢材现在也被应用于建造平台某些重要结构，未来超高强度钢也可能投入使用。

（4）甲板空间与可变载荷加大。由于甲板空间的加大，平台工作的安全性有了显著提升；而可变载荷的增加，让平台能够适应更大的工作水深。

（5）能适应恶劣的工况。因为技术的发展革新，半潜式平台拥有更加强大的动力配置能力和抗风浪性能，以及更加精准的动力定位技术，这让半潜式平台能够轻松应对更恶劣的海况。

（6）仓储面积变大。由于半潜式平台作业海域离陆地较远，物资补给较为不便，所以加大仓储容积以增强平台的自持力，延长工作时间。

（7）功能多元化。最初的半潜式平台的功能仅仅局限于钻井或采油，现今已发展到钻井、修井、采油和生产处理等多功能一体化。

在半潜式平台研究应用方面，美国和挪威等海洋利用意识较强的国家都比较早着手进行。由于深海勘探费用较大，国际上只有少数石油公司有资金或技术实力进行深海石油勘探和开采。近些年来，这些石油公司在深海开发领域的投入不断增加。显而易见，半潜式平台等移动式钻采设备已逐渐成为油气工业发展至关重要的部分。深水或超深水勘探作业费用十分巨大, 目前有能力(资金或技术实力) 进行深海石油勘探开发的公司很少，主要有BP 、Shell 、Exxon 、Mobil 、Chevron 、Texaco 、Petrobras 等大石油

公司。近年来, 各大石油公司在深海领域的投资不断增加。2001 年全球在深海的石油开发投资超过110亿美元, 还不包括勘探及评价投资; 2003年现有深海油田及新项目的投资超过150 亿美元。可见, 向海洋和深海要油气, 发展以半潜式平台为代表的新一代移动式钻采装置，这是世界油气工业发展具有重大战略意义的一项工作。

我国研究半潜式平台起步较晚，但利用深海钻采装置勘探和开发深海资源已成为一个必然的趋势。我国目前油气勘探开采主要集中于浅海和近海海域，深海开发能力还有待提高。 1984年，我国自行研制的半潜式平台—勘探三号投入了使用，自此以后，技术研究一度陷入了停滞不前的状态。为了缓解高速经济发展带来的能源压力，国内投入大量人力、物力资源研究深海勘探开发技术，以期完成新型半潜式平台的初步设计和建造方案。一旦这项工作完成，我国的深海勘探和开发技术将会有很大程度的提高进步。

1.4 平台极限强度国内外研究现状

平台各主要结构型式与尺寸主要依据平台极限强度来确定，因此对平台进行极限强度分析十分有必要。平台极限强度涉及很多方面，比如：在建模过程中结构依据的主要原则、在分析过程中结构选择的主要工况等。美国ABS 船级社指出根据载荷的第一原则是设计问题中的重中之重，结构所可能受到的各种载荷以及这些载荷的各种组合形式必须全部考虑在内；船舶和海洋平台在实际运行中所以有可能遇到的载荷情况必须通过设计载荷的确定来展现出来。波浪载荷是在平台受到的载荷中是最重要的部分，所以平台设计和强度分析中至关重要的部分，就是能否正确的计算船平台的波浪诱导载荷与运动状态。

在实际研究极限强度的过程中，梁园华等人借助ANSYS 软件，校核BINGO9000号半潜式海洋平台的总体强度，同时也也对局部强度进行了校核。张海彬等人以挪威DNV 船级社开发的SESAM 软件为依托，选取五种常见的载荷工况，校核了半潜式海洋平台的结构强度。与梁园华的方法相比，虽然在校核的过程中，该法考虑了因为平台运动引起惯性力产生的影响和液舱内储存的液体对舱壁的作用力，但是在确定设计波参数时，应用了极限波高的方法，所以在结构强度分析时，并没有考虑极限海况下的风载、流载和锚链载荷，所以从严格意义上来讲，不能称得上是真正的极限海况下的结构强度校核。

另外，也有学者在综合了有限体积法和边界元法两种方法后，计算了波浪与桩柱列阵之间相互的作用力。此法的优点是，与实验结果高度一致，并且能够将波浪与结构之间的相互作用状态更立体的呈现出来。但它不是没有缺陷的，目前的技术理论还不能体现出模拟波浪与浮动结构之间的相互作用力。戴仰山等人利用较为系统的方法，解释了基于线性势流理论上的二维切片理论。刘应中等详细的总结出，在基于三维势流理论上的时域法和频域法。在非高斯和高斯随机波浪载荷的作用下，ByAhsan 具体比较了平台的频率响应情况，首次运用统计学的理论总结了施加在平台上的波浪载荷的非线性效应的结果，得出了若不考虑波浪载荷的非线性在内的情况下，会导致低估平台响应的结论。滕斌利用时域格林函数，来求解时域的初值，同时他运用满足时域自由水面条件的格林函数法，分析了不同形状的结构物体的波浪载荷，的出它们之间的差异。竺艳蓉系统总结了在实际工程中海洋平台的随机波浪载荷的运用方式。

现今，各大船级社规范都规定必须利用直接计算方法，对半潜式海洋平台的波浪载荷和强度分析，必须采用有限元分析方法来进行结构强度分析。世界上各大船级社和有关规范组织都颁布了自己拟定的海洋平台建造与入级规范，比如《海上移动平台入级与建造规范》（中国CCS 船级社），《移动式钻井平台的建造与入级规范》（美国ABS 船级社），《移动式近海平台入级规范》（挪威DNV 船级社），这些都是为了保证海洋平台的安全性，这些规范现在还在不断更新中，会及时的修改规范，以应对在现实建造和工作过程中新出现的状况。

韩晓风等人利用ANSYS 软件对平台进行了极限承载力分析。第一步，用ANSYS 软件建出平台的数值模型，给模型加极端波浪载荷，分别进行静力和动力分析，得到平台在载荷下的速度、位移、加速度曲线；然后，对平台模型进行材料的非线性极限承载力分析，完好平台的极限承载力由此得出。平台在使用过程中，会有平台腐蚀、地基土冲和杆件断裂等因素对平台造成损伤，这些因素对平台结构极限承载力和安全性都有影响。邢金有等用简化逐步破坏法分析了一座在工作中折断的平台，该平台已经老化，通过极限强度分析，分析出平台折断的原因是底部纵骨的稳性不足。这个案例也说明了，极限强度分析对保障平台的安全性是必不可少的。王林等人利用MSC/Marc分析了TT 型圆管节点在轴向力作用下的极限强度。该法是利用MSC/Patran软件建有限元模型，根据Mises 屈服准则，用NR 法分析，MSC/Marc软件中有非线性分析模块，可以利用

这个模块对在轴向力作用下管节点的塑性极限载荷，并对各参数对节点的影响进行讨论，为可靠性分析做好基础工作。

国外的学者们对极限强度分析也做了大量的研究工作。Stewart 提供了一种简单的模拟系统，可以直接利用传统线性分析程序进行框架倒塌特性分析。支撑杆件轴向屈服（屈曲）或拉出（传透）是倒塌模式的主要形式。在组合载荷下，利用强制线性系统来模拟非线性系统的特性，因为倒塌机制中的杆件的存在，对于大的结构来说，约束力也相对较小。Lie 对有缺陷裂纹的K 节点施加静态载荷直至破坏，得出载荷—位移权限与有限元分析结果一致，体现出有限元法解决极限强度问题的准确性和可靠性。Rama 等人研究了加筋和不加筋的T 节点的静态弹性和塑性，引用了板单元应变减退假设的思想，观察两种结构在逐步加载下的各种应变和弹性塑性变化，与实验结果基本吻合。Joem 在轴向压力下，对有裂纹的加筋板进行剩余极限强度试验，重点处理与力方向一致的裂纹。Purnendu 运用了一个基于缩减因数的公式来预测有初始缺陷的加筋板在纵向压力下的极限强度。新的公式考虑到工况中横向、纵向、侧向和剪切应力等诸多因素。新的公式经过验证后，结果也基本相符。Lalani 提出结构整体估算过程，有三个步骤，有次进行对平面框架的倒塌分析。运用“杆件替代法”来完成“推倒”分析，这种方法只需要线性分析程序，无需复杂的非线性分析程序。但是这种方法有一项主要的缺点—不能考虑连续的强度退化，得到的极限强度的值比较保守，手动操作时间比较多，不够方便。

1.5 本文的主要工作

（1）介绍国内外半潜式平台的发展现状和极限强度理论的研究现状；

（2）学习极限强度的研究方法以及有限元基本理论；

(3) 简要介绍ANSYS 软件的发展过程和功能；

（4）以半潜式钻井平台甲板结构为例，利用ANSYS 软件建模，对模型加载分析，并对结果进行极限强度分析，画出应力—位移图；

（5）对论文进行总结，针对论文中遇到的极限强度问题进行探讨。总结出论文的不足之处和可以进一步完善的地方，展望与课题有关联的研究。

第二章 结构极限强度分析

2.1 半潜式平台极限强度计算方法

平台结构达到极限状态一个非常复杂的非线性过程，所以采用结构非线性方法来计算得出的结果才会较为准确。因为平台和船舶在结构上较为相似，都是由大量加筋板组成的箱形结构，所以本文引用了船舶中常用的简化逐步破坏分析法来计算平台的极限强度。该方法由Smith 提出适用于船体梁手纵向弯曲后的船体剖面的逐步破坏过程的分析。

因为半潜式平台甲板结构与船体结构类似，都有加筋和附连板，故计算船体结构强度的方法船体计算同样适用于甲板结构。计算极限弯矩的方法大致可以分为三类：

第一类：直接计算法（direct method ）。直接计算法又可分为三类：线弹性方法（EM ），经验公式（EF ）和解析法（AM ）。线弹性方法虽然操作较为简单，但是精确度较低，是由于船体结构发生屈曲变形后，船体的性能呈非线性了。经验公式法较为较为局限，仅仅对常见的船型有稍准确的解，数据导出比较有限。解析法是利用理论方法对船体剖面的极限弯矩进行求解的，精确度相对较高，适用范围广。

第二类：逐步破坏法（progressive collapse method ）。本文使用的非线性有限元法就属于逐步破坏法的一种。最初的Smith 方法计算结果准确，很大程度上依赖单元上的平均应力—应变关系。所以之后的专家学者们的研究重心就侧重于单元的应力—应变关系，并由此发散思维，提出了自己不同的计算方法。

第三类：实船事故调查和模型试验方法。实船事故调查数据样本较少，在实船上进行试验代价成本和代价又过大，所以该法不如模型试验实用。

第四类：理想结构单元法。理想结构化单元法的基础就是有限元思想，但它与有限元方法也有一定的区别，主要就是单元类型、尺寸和数量的不同。理想化结构单元法较之有限单元法的也存在优点，即节点的自由度个数减少了，每个结构单元都有可能失效形式的理论公式。

第五类：非线性有限元法。非线性有限元法可以在结构极限强度中直接使用，有足够的能力对影响极限强度的一些重要因素进行处理。随着计算机技术的飞速发展，越来

越多的大型有限元程序已经应用到极限强度计算中了。这些软件都能够对结构极限破坏进行准确的模拟，都可以用于评估结构的极限承载力。

2.1.1 基本假定

（1）平断面假定:平台的横截面在曲率变化前后都是平面，即可保证横截面上的应变沿着深度方向线性分析；

（2）平台的整体失稳应力大于框架之间梁和柱的崩溃应力；

（3）假设平台的横向框架强度足够，横框架在极限状态下能保持不被破坏，就只有横框架之间的加筋板被破坏；

（4）框架间的崩溃应力小于加强筋的侧倾应力。

2.1.2 简化逐步破坏分析法计算极限强度过程

相比较Caldwell 法，逐步分析法考虑了极限强度计算时考虑到局部构件达到极限强度之后，强度折减的状况，而考虑每个结构单元的强度折减是十分必要的。下面介绍几种常用的逐步破坏法的方式。

1、简化方法（Smith 方法）

Smith 方法比较节省人力和财力，较为容易实现。该方法的基本思想就是考虑达到极限强度之后每个结构单元的折减，以及每个单元崩溃时间的先后顺序。

（1）划分单元：将平台的中剖面离散为一系列的加筋板单元和硬角单元，每块加筋板单元由一根加强筋和带板组成；

图1 板架结构

（2）确定全部加筋板单元的平均应力—应变关系；

（3）将平台的整体曲率初始化，令ϕ=ϕ0, 将瞬时弹性中和轴视为有效面弹性面

中和轴，初始曲率的公式为ϕ0=min |i =1εu εy y i y i , |

（4）单元相应的应变为εi =ϕy i ，y i 诶瞬时弹性中和轴到第i 个单元的垂直高度，当前应力可有单元应力—应变关系确定。

（5）建整体截面的力平衡方程，更新εi ，y i ，σi 的值，来确定总拉力和总压力的差值可以计算中和轴方向的改变，即满足下式。

|压力-拉力|

（6）将所有单元对瞬时中和轴的弯矩叠加起来，得到当前应变下平台截面的总弯矩，即

M =∑σn A a y i ，

i =1n

式中：A a 是第i 个单元的有效截面面积，当拉伸时取其全面积，n 是单元总数；

（7）增加曲率∆k ，新的曲率为k 1=∆k +k 0，重复步骤3—6；

（8）计算弯矩与曲率的关系曲线克制，曲率斜率为0的点就是所求船体的极限弯矩。

2.1.3 半潜式平台极限强度的预判

半潜式平台内部结构分部十分复杂，每一个结构都承担着维持平台整体承载能力的重任。当某一局部结构受到极端载荷作用，达到极限状态而受到破坏后，平台整体也会损失大部分承载能力。所以通过预判平台在哪些特定的状况下会发生破坏，是十分有意义的。

1、横向受力最大状态

2、最大垂向弯曲状态

3、最大纵向剪切状态

4、最大扭转状态

2.2 有限元分析法

2.2.1 有限元分析法的起源和概述

20世纪40年代初期，有限单元法的基本思想被提出。直到1960年，一名叫克拉夫的美国人才第一次在他的论文中用到“有限元法”这个名词。到了20世纪70年代末，有限元分析软件陆陆续续出现，那时的有限单元法在理论基础上已趋于成熟。

最开始有限单元法思想的提出，与工程方面有着密不可分的关系。当时，为了精确的了解飞机的静态特性，传统方法不能满足设计需求，更加适合分析的有限单元法由此被提出。

有限单元法一种是在电脑上应用而发展起来的十分有效的数值方法，复杂的结构形式、复杂的载荷以及复杂的边界条件等一系列结构分析问题，都可以被它很方便的解决，有限单元法也可以处理非线性应力—应变状态的结构和不均匀材料的问题。有限单元法是提供数值解最灵活的方法。

有限元分析是评估平台极限强度的重要工具，它的物理实质是将连续弹性体分割成若干个小单元，即有限单元，并且通过移动单元载荷至节点成为节点载荷，将无限自由度的问题转化为有限自由度的问题。有限元方法的数学实质是用有限子域的组合替代连续域，把连续场函数的微分方程求解问题化成有限参数的代数方程组的求解问题。有限元法另一个突出特点就是其通用性，它可以应用于多种问题，比如复杂的边界条件、结构形状及载荷的问题，甚至可以解决以前用解析法都无法解决的问题。因为非线性有限元法有有效性和完备性两项性能，所以可以直接用来计算平台的极限强度，作为相近的考核标准。

有限元分析中最常用的术语有：

1、单元：网格划分中的每个小块体（如Link 单元、Beam 单元、Block 单元、Shell 单元等）；

2、节点：确定单元形状的点；

3、载荷：结构所受到外在施加的力；

4、边界条件：结构边界上受到的外加约束。

2.2.2 基础性原理

不论是几何非线性，还是材料非线性问题，通过有限元离散，都可以归结为求解一个N 个变量，N 个方程的非线性方程组，即

ψ1(a 1,..., a N ) =0{ ψN (a 1,..., a N ) =0

式中，a 1,..., a N 是未知量，ψ1,..., ψN 是实值函数，它们一般是未知量的非线性函数。如果采用矢量符号，则有：

T T a =[a 1a 2... a N ], ψ=[ψ1ψ2... ψN ], 0=[00... 0]T ，

可简单表示为下式：

ψ（a ）=0

为了强调其力学含义和便于讨论，可将方程改写成下式：

ψ（a ）=P （a ）-R =0, （a ）式中，P 是一个矢量函数，是一个已知矢量。a 在全量问题的有限元位移表述 （a ）里，代表的是未知的节点位移矢量，P 表示内力等效节点力矢量，表示载荷等效

节点力矢量，因此ψ（a ）=0就是节点的平衡方程，式中的每个分量方程就对应一个相

应的自由度的平衡。在增量问题考虑中，则a 是位移增量矢量，R 是载荷增量矢量。

2.2.3 非线性有限元分析需考虑的问题

非线性问题根据不同的形成原因可以分为三类：材料非线性、几何非线性和边界非线性。我们考虑的讨论的主要是材料和几何非线性问题。

材料非线性：因为材料本身非线性应力—应变关系而产生结构响应的非线性叫做材料非线性。这种非线性是最常见的，例如船体的钢材在受到较大的应力时会发生屈服，这时候材料的响应就是非线性和不可逆的。

几何非线性：结构受较大变形而产生几何形状的变化，这有可能会引起结构的非线性响应。大多数工程结构都存在大应变、大位移等问题，所以几何非线性分析中最常见的典型就是屈曲分析。屈曲包括非线性屈曲和线性屈曲。屈曲分析的作用是计算当结构

不稳定时的临界载荷，求出结构的失稳形态以及失稳路径，分析整体和局部的稳定性。本文就借助了拥有解决几何非线性问题强大能力的有限元软件ANSYS 。

边界非线性：一旦边界条件在分析过程中变化，边界非线性问题由此产生。边界非线性是不连续的。大多数情况下，边界非线性对结构的变形和内力产生的影响比较微小，所以经常被忽略。

2.3 本章小结

本章主要简单介绍了结构极限强度的分析方法和非线性有限元法的基本原理和理论，确定采用非线性有限元法对本文中的模型进行分析计算。针对非线性有限元需要考虑的因素及其存在的一些问题，制定了初步的应对方案。为之后应用ANSYS 软件建模，利用非线性有限元法进行极限强度计算奠定了理论基础。

第三章 ANSYS 软件简介

ANSYS 程序是一个大型有限元分析软件，它的功能十分强大且令灵活，不仅可以设计，而且可以分析。它的分析范围十分广泛，包括结构、流体、电磁、声学、热等等，应用于石油化工、航空航天、船舶制造、交通、能源等多项领域。ANSYS 软件提供了一个功能清单，包括了结构非线性分析、电磁分析、设计优化、网格划分等。本文主要就应用了网格划分即结构非线性分析的功能。用户可以通过对话框和菜单进行功能选择，操作十分简单，用户体验很强。通过ANSYS 软件，我们可以发现产品中存在的问题，及时解决，提高产品设计的成功率，降低生产设计成本，节约时间。ANSYS 软件还可以与常用的绘图软件CAD 实现数据资源交换共享。

3.1 ANSYS软件的发展过程

20世纪70年代，ANSYS 公司成立了。公司一开始就牢牢把握住有限元软件的发展方向，在同行业中一直是领跑的状态。

如今的ANSYS 软件和最初的版本有很大的区别，已经不局限于线性结构分析和热分析，也能够在小型个人电脑上使用。现在的ANSYS 软件完善了很多，功能丰富，操作更为方便，在很多方面都有了巨大的改进和提高。

3.2 ANSYS软件的使用环境

ANSYS 软件功能强大，设计分析十分灵活。现在的ANSYS 软件不同于最初的版本，现在它可以不局限在大型计算机上使用，可以在PC 机、NT 工作站等各类计算机上浮动运行，它所有的产品系列和工作平台都可以兼容数据文件。在PC 机上建成的模型可以在巨型机上运行，这提供了一个多领域多变工程问题求解的平台。

ANSYS 能与许多CAD 软件共享数据，生成多种模型文件格式。在AutoCAD 、NASTRAN 等系统下生成的几何数据，可通过ANSYS 的数据接口传入ANSYS ，再利用ANSYS 软件将模型划分网格求解，节省建模时间，提升了工作效率。

3.2 ANSYS软件的功能

ANSYS 软件有简单线性分析和复杂非线性分析等多种有限元分析的能力。ANSYS 分析过程一般有三个步骤：

1、创建有限元模型

2、逐步施加载荷，进行求解

3、查看分析结果

有限元分析中，ANSYS 程序一般使用三个模块：PREP7（前处理模块）SOLUTION （求解模块）POST1和POST26（后处理模块）。前处理包括实体建模和网格划分两项，用户可以通过前处理模块，检出有限元模型。求解模块就是对已建模型施加一定的边界条件和载荷，进行有限元计算。后处理模块是对计算结果进行处理，将结果用图形的方式呈现出来，用图表、曲线的方式输出。

3.3 ANSYS软件的技术特点

与其他有限元分析软件对比，ANSYS 软件有以下鲜明的技术特点：

1、有实现多场和多场耦合的功能

2、具有前处理、后处理、分析求解和多场分析等多项功能

3、有流场优化功能，这是其他软件不具备的

4、非线性分析功能强大

5、可以快速求解

6、支持PC 机和巨型计算机等所有硬件平台

7、能够实现数据文件兼容

8、所有硬件平台界面都是统一的

9、与大多数CAD 软件有接口，可以实现数据共享

10、可以进行智能网格分析

11、用户开发环境良好

12、产品系列多层次

3.4 ANSYS软件的非线性有限元分析

尽管非线性分析比线性分析复杂，但是处理过程大同小异，在非线性处理过程中，添加了需要的非线性特性。

非线性分析是静态分析的一种特殊形式。和任何静态分析一样，处理流程主要由建模、加载与求解和查看结果是三个步骤组成。

非线性分析建模过程与线性分析相似，非线性分析中可能包括特殊单元，货非线性材料性质。加载与求解需要定义分析类型和选项，指定载荷选项。非线性求解常需要求解多个载荷增量，且总需要平衡迭代[5]。

第四章 平台甲板结构的极限强度分析

半潜式平台属于大型复杂的结构，在建造或使用过程中，如果存在不合理的操作或者遭遇恶劣的海况，局部结构十分容易发生损坏，产生危险。由此可见，研究局部结构的极限强度是必不可少的，本文就对半潜式平台的甲板结构进行了分析。对结构不断施加环境载荷，直至不能再承受更大的载荷为止，这就被称为结构的极限强度。通过分析结构的极限强度，我们可以明显的发现平台各部位在极限状态下抵抗载荷的能力，看出薄弱的结构，并对其进行加强改进。

本文利用ANSYS 有限元分析软件对半潜式平台的甲板结构进行了极限强度分析和讨论。非线性静态分析是一种特殊形式的静态分析，其主要有三步处理步骤：①建模；②加载与求解；③观察结果。

4.1 建立模型

甲板是上部平台结构，它提供了生活和生产的场地，见下图

图3-1 半潜式平台甲板

因为原图较为复杂，建模过程可以将结构进行适当的简化，可以将平台的甲板近似模拟成一块矩形的钢板。因为平台的甲板结构完全对称，所以取甲板结构的1/4为样本，进行建模分析，如下图所示。

图3-2 1/4的甲板结构

为了节省计算资源，又以舱壁（上图中红色虚线和点划线）为界，将上图再分为

四个板块。在甲板结构的有限元模型，板采用SHELL 181和SHELL 63壳单元模拟，加强筋上的腹板和T 型材由beam 188单元模拟，建成以下模型。

4.1.1 模型参数

假设所考虑的材料为理想弹塑性模型，其屈服极限σy 的值为315MPa ，它对应的屈服应变为εy ，泊松比取0.3，弹性模量E 取210GPa 。 四个模块的尺寸分别见下表

表1 模块1的尺寸和参数

表2 模块2的尺寸和参数

表3 模块3的尺寸和参数

表4 模块4的尺寸和参数

上面四个表格分别具体记录了四个模块上面板和加筋的尺寸。

为了便于计算，加上网格精度对于甲板结构极限强度的影响，本章在计算含裂纹加筋板的极限强度时，对有裂纹处的网格进行了划分，每个网格单元长度在100—150mm 之间。

4.1.2 建立平台甲板模型

主要建模过程如下所述：

1、在坐标系中建立几个关键点，再通过关键点创建面；

2、因为模型以腹板和T 型材为边界，分成大小相等的板块，所以通过复制面（Copy Area ）命令可以建出整个模块的面；

3、要对面进行划分网格，要先设置面板的材料的参数，如面板的厚度、弹性模量和泊松比等。划分网格用的是Mesh 命令，将面板划分成若干个矩形网格；

4、要在模块中添加腹板和T 型材部分，首先在Section 中设置腹板和T 型材的参数，然后要选中线，对其进行Mesh ，选中PlotCtrls-Style-Size and Shape中的Display of element ，即可将element 显示出来。

通过以上步骤，模块的模型就可以建成了（如下图所示）

图3-3-1 模块1的有限元模型

图3-3-2 模块1的有限元模型（骨架）

图3-4-1 模块2的有限元模型

图3-4-2 模块2的有限元模型（骨架）

图3-5-1 模块3的有限元模型

图3-5-2 模块3的有限元模型（骨架）

图3-6-1 模块4的有限元模型

图3-6-2 模块4的有限元模型(骨架)

4.2 加载计算

本章研究的甲板是有加筋板板格间的平板单元，考虑甲板结构的实际情况，以模块三为例，该模块的边界条件及约束条件为：模块1沿着x 方向两端约束5个自由度（沿着y 和z 方向线位移，绕着x 和z 方向转动位移），模块1沿着y 方向两端约束3个自由度（沿着y 和z 方向线位移，绕着x 和y 方向转动位移）。在平台x 方向的两端施加100mm 的纵向面压缩位移的载荷，这个载荷是一步一步叠加起来加载的, 加载过程一共有三十步。模块的舱壁约束用边界条件来替代。

图3-7 添加边界条件之后的模块三

4.3 结果分析

对模块三添加边界条件后，利用ANSYS 软件的SOLUTION 功能，对其进行分析。可以得出模块X 、Y 、Z 方向应力等值线图，以及等效应力等值线图（取最后一步）。

图3-8 模块三X 方向应力等值线图(变形放大十倍)

图3-9 模块三Y 方向应力等值线图（变形放大十倍）

图3-10 模块三Z 方向应力等值线图（变形放大10倍）

图3-11 模块三应力等效等值线图（变形放大十倍）

图3-12 模块三的板和加筋受应力变化图

图3-13 模块三面板受应力变化图

从图3-8到图3-10可以看出，模块在X 方向受到的应力大于在Y 方向和Z 方向受到的应力。这是因为模块三是一个纵骨架式结构。

从图3-11到3-13可以看出，面板变形较大，加筋板变化也比较严重，结构发生明显的屈曲现象。

图3-14 模块三受应力变化图（第一步加载 变形放大十倍）

图3-15 模块三受应力变化（第六步加载 变形放大十倍）

图3-16 模块三受应力变化图（第九步加载 变形放大十倍）

从上面三幅图可以看出，模块随着加载的增加，所受应力变化逐步增大，趋于最大值315Mpa ，面板和加筋将逐渐达到极限状态，模块三发生屈曲现象。

图3-17 模块三受应力变化图（第十步加载 变形放大十倍）

图3-18 模块三受应力变化图（第十六步加载 变形放大十倍）

从上面两幅图可以看出，当面板和加筋达到极限状态后，所受应力开始减小，这是因为模块三已经到了失稳的状态。

图3-19 模块三受应力变化图（第十八步加载 变形放大十倍）

图3-20模块三受应力变化图（第二十八步加载 变形放大十倍）

图3-21 模块三受应力变化图（第三十步加载 变形放大十倍）

从上面三幅图可以看出，模块三失稳之后，所受应力又随着加载逐步增加，知道第三十步时，达到最大极限强度315Mpa ，此时模块上的面板和加筋已经全部崩溃。

这种失稳现象被称为侧倾失稳，加强筋受到压力的时候，它会绕着筋和面板的相交线发生局部扭曲的现象。一旦发生上述现象，面板就会失去加强筋对它的支撑作用，导致整块面板失稳，遭受破坏。一旦加强筋与加强筋之间的面板发生局部屈曲现象，加强筋也会跟着发生侧倾现象，即可判定整块加筋板失稳。

用后处理模块提取数据，在excel 中将数据列出，绘制出应力—应变图。

0.20

0.15

σx /σ

y

0.10

0.05

0.00

εx /ε

图3-22 应力—应变图

从上图中可以看出，曲线先上升后下降，再上升。拐点大概位置是在x 坐标为0.262处，即此时选取的节点所受的应力为63Mpa, 此时模块三达到极限强度。

模块一、二、四选取节点所受应力为82.7Mpa ，74.6Mpa 和309.7Mpa ，模块达到极限强度。

总结与展望

通过将近三个月的努力，在施老师、学姐的指导和帮助下，我顺利完成《半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析》这一课题的研究。开始对ANSYS 软件的一窍不通到现在的熟练操作，学会了建立半潜式平台模型，对其进行极限强度分析，得出结论，这是对自己两个月的付出和努力最大的褒奖。

这次毕业设计是一次十分难得的学习机会，不仅是对自己大学四年来学习到的理论知识的一次考验，更让我有机会和实际情况的相结合，让我发现了自己还有很很多需要提高的地方，不能仅仅将眼界停留在课本上，更深刻理解了“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”这句话的深刻含义。毕业设计让我在操作软件、查阅资料和综合运用专业知识等多方面的能力有了很大的提升和拓展，对我而言，这些是一份不可多得的收获。

这次设计并不是一帆风顺，多多少少总会存在一些问题。最开始建模型时对ANSYS 软件一窍不通，无从下手，多亏了石学姐的悉心指导，为我提供了一些入门的书籍让我参考，正是有了这些，模型才一步一步建立起来。但是问题并未就此结束，因为模型计算时，系统总是出现报错的情况，甚至不能计算。后来询问了施兴华老师，在与老师的沟通交流过程中，发现建模的过程中出现了问题，所使用的shell 壳单元与beam 单元不能匹配，问题才得以解决。在写论文的过程中，有很多理论知识在以前的学习中没有接触过，在图书馆查阅相关资料之后，才对其有了基本的概念上的了解，。正是有了这些问题和解决问题的过程，才更让我发觉这次学习收获宝贵的价值。

一次提高的知识是有限的，如果提高的是我们学习的方法和水平，我们学到的东西将是无限的。我从这次设计中收获了许多经验和知识，必然也会让我在未来的学习和工作中表现出更出色的应变、沟通和理解能力，更加游刃有余的应对一切。

当今社会，人们对于海洋石油的勘探和开采表现出越来越大的兴趣，研究的海域范围越来越广，所以深海半潜式钻井平台的地位也随之而提高。深海海况较为复杂，危险性比较高，所以半潜式平台平台的安全性就受到了很大的挑战，我们一定要格外重视海洋平台的安全性。如今油气资源短缺，这就更加促进了半潜式钻井平台的发展。为了能够保证半潜式平台结构的安全，我们需要对其进行改进，从而适应深海的环境。这要求今后我们时刻关注海洋平台的发展动向，利用自己所学的知识，对海洋平台的研究和发

展贡献自己的一份力量。现在我国海洋平台研究的不足和缺憾会给予我动力，鞭策我前行。今后我一定要学习掌握并利用先进的技术，为我国的海洋平台事业做出贡献。

致 谢

在论文完成之际，首先要感谢的是我的指导老师。我的论文是江苏科技大学船舶与海洋工程学院，施兴华老师的悉心指导下完成的。他不仅理论知识十分渊博，而且实践经验也十分丰富。在毕业设计过程中有着严格的要求，同时对我们提出的问题都是一一耐心解答。将近两个月的学习过程中, 他严谨的教学态度, 对科学的一丝不苟的精神，精益求精的工作作风，深深感染、激励着我。同样要感谢的是石晓彦学姐，正是她的耐心指导，教我学会了软件的操作，在她的帮助下，我的论文才得以顺利完成

感谢江苏科技大学。在这里学习生活了四年时间，学校的浓厚的学术气氛和优秀的学习深深地感染着我，让我在学术有了进步和提升，更教会我们做人的道理。

行文至此，我的论文已接近尾声。时间如白驹过隙，我四年的大学时光转眼即逝，即将敲响结束的钟声。离别在即，我们即将迎来人生的另一个转折点，心中难免思绪万千，发自肺腑的感恩之情油然而生。感谢生我养我，含辛茹苦，供我上学的父母。是你们，为我创造了优秀的学习条件；是你们，一如既往的支持让我走到今天。谢谢你们，我的父亲母亲！

最后我要感谢大学四年的同学和朋友，是你们陪伴我度过了人生中最宝贵的四年时光，是你们与我一起分享快乐忧伤，是你们在我需要帮助的时候伸出援手。我们一起度过了宝贵的四年，将要离别，心中对你们很不舍。即将要各自迈向人生新起点，祝你们一帆风顺。

在最后的大学生涯里，我完成一个从来没有真正了解过的课题。因为有了你们的帮助，不仅让我学到了新的知识，更让学习到了知识以外的东西，那就是团队的凝聚力。 最后，感谢所有在这次毕业设计帮助过我的人。 对上述朋友，再一次表示由衷的感谢。

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