ANSYS在海洋石油工程中的应用.pdf
在海洋石油工程中的应用在海洋石油工程中的应用在海洋石油工程中的应用 在海洋石油工程中的应用 杨进刘书杰谢仁军编著 内内内 内 容容容 容 提提提 提 要要要 要 ANSYS 软件是融结构、流体、热、电场、磁场、声场于一体的大型 CAE 通用有限元分析软 件。由美国 ANSYS 软件公司开发，该软件是 FEM（Finite Element ）分析中迄今为止第 一个通过 ISO9001 质量认证的计算机辅助工程（CAE）设计分析类软件。广泛应用于核工业、铁 道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生 物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究。 本书详细介绍了海洋环境载荷的基本理论及利用 ANSYS 软件的强大功能对承受环境载荷的 海上石油工程结构物进行力学特性计算的分析方法。主要包括隔水导管结构、简易平台桩腿、桩 土相互作用、单筒多井结构及大型导管架结平台等。结合实例详细介绍了各种海洋石油结构物的 静力、模态及动力有限元分析过程。本书能够为从事海洋工程及海上石油工程安全评价的研究人 员提供很好的指导作用，同时为有关院校师生提供学习参考。 本 书 简 介 内容与特点内容与特点 本书通过实际工程实例为主导，向读者系统的介绍基于 ANSYS9.0 版本软件在海洋石油工程 结构物分析中的分析应用。在介绍具体的软件操作之前，向读者介绍了海洋环境载荷的相关基本 理论，为后继的实例分析奠定基础，目的在于让读者不仅学会如何利用软件对结构物进行分析， 还对结构物所承受的环境载荷理论有一定程度的熟悉和掌握。在对工程实例进行 ANSYS 分析操 作时，将 ANSYS 窗口操作及 APDL 命令流相结合，让读者同时了解这两种操作方式的联系与区 别，每个工程实例都附有完整的 APDL 命令流，为方便读者在学习完本书之后，如果要进行相类 似的工程问题的分析时，可以直接应用部分命令流，为读者节省时间。 本书在内容组织上分为两大部分 第一篇第一篇ANSYSANSYSANSYS ANSYS 分析理论基础篇分析理论基础篇 内容包括海洋环境载荷基本理论和海洋结构物分析过程中所用到的 ANSYS 单元介绍及其本 书中所涉及到的结构分析方法介绍。 第二篇工程实例篇第二篇工程实例篇 内容包括海洋石油工程结构物中比较典型的工程结构，即隔水导管结构、简易平台桩腿结 构、桩土相互作用、单筒多井结构及大型导管架结平台内容。从内容安排上遵循从简单到复杂的 顺序，首先结合简单的隔水导管问题，向读者详细介绍 ANSYS 的静力分析过程，逐步深入的将 ANSYS 的非线性问题、模态分析、瞬态动力分析等问题通过具体实例进行详细的讲述。 读者对象读者对象 本书主要是介绍 ANSYS 在海洋石油结构物方面的应用，书中大量的实例都是作者本人在近 些年所从事的科研项目中的一些工程实际问题，因此本书主要面对的读者是从事海洋工程及海上 石油工程安全评价的研究人员，同时也为相关院校专业的本科生和研究生提供学习参考。 目录 第第 1 1 1 1 章章绪绪论论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1ANSYS 软件概述..................................................................................................................................1 1.1.1ANSYS 的发展历史.......................................................................................................................1 1.1.2基本功能与分析过程.....................................................................................................................2 1.2海洋石油工业发展现状........................................................................................................................6 1.2.1我国海洋石油发展现状.................................................................................................................6 1.2.2 海洋结构物的发展历史及应用背景...............................................................................................7 1.2.3海洋石油工程的研究进展.............................................................................................................8 第一篇第一篇第一篇 第一篇 海洋结构物海洋结构物海洋结构物 海洋结构物 ANSYSANSYSANSYS ANSYS 分析基础理论分析基础理论分析基础理论 分析基础理论 第第 2 2 2 2 章章环境载荷理论基础环境载荷理论基础. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101010 10 2.1海风载荷..............................................................................................................................................10 2.1.1 设计风速.........................................................................................................................................11 2.1.2 风力表达式.....................................................................................................................................11 2.2海流载荷..............................................................................................................................................12 2.2.1 海流分类.........................................................................................................................................12 2.2.2 海流力计算.....................................................................................................................................12 2.3波浪力..................................................................................................................................................15 2.3.1 波浪力分类.....................................................................................................................................15 2.3.2 波浪力计算.....................................................................................................................................15 2.4海冰载荷..............................................................................................................................................17 2.4.1 海冰载荷的研究方法.....................................................................................................................17 2.4.2 海冰力计算.....................................................................................................................................19 2.5地震作用..............................................................................................................................................21 2.5.1 地震作用理论.................................................................................................................................21 2.5.2ANSYS 地震分析方法.................................................................................................................23 2.6 本章小结................................................................................................................................................23 第第 3 3 3 3 章章ANSYSANSYSANSYS ANSYS 结构有限元分析基础结构有限元分析基础. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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单元特性介绍...................................................................................................................33 3.1.5 SHELL43 单元特性介绍................................................................................................................37 3.1.6 COMBIN39 单元特性介绍.............................................................................................................38 3.1.7 SOLID45 单元特性介绍.................................................................................................................38 3.1.8 MASS21 单元特性介绍..................................................................................................................39 3.2ANSYS 结构分析基本类型................................................................................................................40 3.2.1 结构静力分析..................................................................................................................................40 3.2.2 结构模态分析..................................................................................................................................43 3.2.3 瞬态动力学分析..............................................................................................................................45 第二篇第二篇第二篇 第二篇 工程实例篇工程实例篇工程实例篇 工程实例篇 第第 4 4 4 4 章章钻井隔水导管结构静力分析钻井隔水导管结构静力分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474747 47 4.1钻井隔水导管概述..............................................................................................................................47 4.1.1 隔水导管力学分析模型.................................................................................................................47 4.1.2 隔水导管的 ANSYS 有限元分析步骤..........................................................................................48 4.2工程实例浅海水域隔水导管结构静力分析..................................................................................49 4.2.1 前处理.............................................................................................................................................49 4.2.2 求解计算.........................................................................................................................................56 4.2.3 结果分析.........................................................................................................................................59 4.3波浪相位角搜索实例..........................................................................................................................64 4.4 本章小结................................................................................................................................................66 第第 5 5 5 5 章章平台桩腿与海底土相互作用模拟平台桩腿与海底土相互作用模拟. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707070 70 5.1桩土相互作用概述..............................................................................................................................70 5.2PY曲线理论.....................................................................................................................................71 5.2.1 软粘土中的 Py 曲线.................................................................................................................. 71 5.2.2 砂土中的 Py 曲线...................................................................................................................... 73 5.2.3 硬粘土中的 Py 曲线.................................................................................................................. 74 5.3P-Y曲线法的 ANSYS 实现................................................................................................................74 5.4工程实例平台桩土相互作用分析..................................................................................................75 5.4.1 前处理过程.....................................................................................................................................76 5.4.2 静力求解计算.................................................................................................................................81 5.4.3 结构模态分析.................................................................................................................................86 5.5 本章小结................................................................................................................................................90 第第 6 6 6 6 章章组合隔水导管抗冰极限承载力分析组合隔水导管抗冰极限承载力分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979797 97 6.1组合隔水导管结构概述......................................................................................................................97 6.2工程实例组合隔水导管抗冰极限承载力弹塑性分析..................................................................98 6.2.1 模型简化.........................................................................................................................................99 6.2.2 前处理.............................................................................................................................................99 6.3.3 求解计算.......................................................................................................................................111 6.3.4 结果分析.......................................................................................................................................116 6.4 本章小结..............................................................................................................................................127 第第 7 7 7 7 章章 单筒三井简易平台桩腿结构力学分析单筒三井简易平台桩腿结构力学分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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