海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法，借助于現(xiàn)有的大型分析軟件ANSYS/AQWA來完成撞擊力模擬，充分利用了現(xiàn)有軟件功能強大的結(jié)構(gòu)建模、大型浮體水動力分析及系泊系統(tǒng)耦合動力分析能力，有效實現(xiàn)了浮托安裝駁船與導(dǎo)管架之間撞擊力的快速模擬與分析。本發(fā)明的海洋平臺浮托安裝剛性碰撞模擬方法可以快速、準(zhǔn)確地模擬浮托安裝過程中的剛性碰撞力，為海洋平臺的浮托安裝設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。同時，通過改變護舷的受力-變形曲線，也可以分析其它類型的碰撞模擬問題，具有較大的應(yīng)用價值。
【專利說明】海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于ANSYS/AQWA的海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法，屬于海洋工程安裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著海洋油氣資源開發(fā)力度的不斷加大，海洋平臺正向大型化、綜合化方向發(fā)展，平臺的整體重量也在不斷增大。海洋平臺結(jié)構(gòu)分為下部支撐結(jié)構(gòu)(導(dǎo)管架)和上部組塊。海洋平臺結(jié)構(gòu)一般在陸上預(yù)制建造，然后運到海上進行安裝。目前，海洋平臺的海上安裝主要有兩類方法:起重船吊裝和浮托安裝。由于受起重船吊裝能力和施工作業(yè)環(huán)境等諸多因素的限制，工程中往往需要大型起重船或者將大型組塊分成若干塊進行安裝。一方面，由于海洋工程大型起重船非常少，因此采用大型起重船安裝海洋平臺會加大了海上施工作業(yè)的成本；另一方面，如果將大型組塊分塊進行吊裝，則會增加組塊海上連接調(diào)試的時間、費用和風(fēng)險。而海洋平臺浮托安裝解決了超大、超重組塊的海上安裝問題，避免了采用分塊吊裝安裝方案可能造成的繁瑣的作業(yè)程序，減少了海上連接調(diào)試的時間，在大型海洋平臺海上安裝方面正起著越來越重要的作用。
海洋平臺浮托安裝，是指由運載上部組塊的安裝駁船駛?cè)氪箝_口導(dǎo)管架槽口，通過調(diào)節(jié)駁船的吃水差，利用浮力把上部組塊浮托安裝到導(dǎo)管架上從而完成海上安裝的過程。典型的海洋平臺海上浮托安裝過程主要包括:(1)安裝駁船駛?cè)雽?dǎo)管架槽口 ；(2)就位對中:調(diào)節(jié)駁船位置使上部組塊停留在導(dǎo)管架正上方，組塊的樁尖與樁腿耦合裝置精確對中；
[3]對接過程:駁船壓載下沉，組塊樁尖與導(dǎo)管架樁腿接觸直至上部組塊重量完全轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上；(4)駁船撤離:駁船繼續(xù)壓載下沉后撤離。
海洋平臺浮托安裝過程中，浮托安裝駁船難免會與導(dǎo)管架的樁腿發(fā)生碰撞，對安裝駁船和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)造成損傷，從而給海洋平臺安裝作業(yè)帶來安全隱患。現(xiàn)有大型有限元分析軟件ANSYS/AQWA沒有直接碰撞模擬的功能，而正確模擬計算浮托安裝駁船與導(dǎo)管架樁腿之間的碰撞撞擊力并采取必要的防護措施則顯得至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有大型有限元分析軟件ANSYS/AQWA無法直接模擬海洋平臺浮托安裝駁船與導(dǎo)管架之間的剛性碰撞問題，提出一種基于ANSYS/AQWA的海洋平臺浮托安裝剛性碰撞模擬分析方法，其采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
一種海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法，包括如下步驟:
A、基于大型有限元分析軟件ANSYS建立導(dǎo)管架-浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合分析模
型；
B、設(shè)置球型護舷單元；
B1、設(shè)置球形護舷單元的半徑及安裝位置；
B2、在ANSYS/AQWA中進行護舷單元屬性設(shè)置，輸入護舷的受力-變形曲線； C、進行浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合動力分析；
D、在結(jié)果文件中讀取護舷單元的受力，即為浮托安裝駁船與導(dǎo)管架之間的撞擊力。
[0004]進一步地，在柔性碰撞模擬時，所述B2步驟中的受力-變形曲線為生產(chǎn)廠家提供的護舷產(chǎn)品的實際受力-變形曲線。
[0005]進一步地，所述BI步驟中球形護舷單元設(shè)置在導(dǎo)管架樁腿中心，球形護舷單元的半徑設(shè)置為樁腿的半徑。
[0006]進一步地，在剛性碰撞模擬時，所述B2步驟中的受力-變形曲線通過如下步驟獲得:
B21、利用ANSYS結(jié)構(gòu)靜力分析計算獲取導(dǎo)管架樁腿的受力-變形曲線；
B22、對樁腿受力-變形曲線進行多項式曲線擬合，得到表示該曲線的多項式系數(shù)。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果如下:
(1)撞擊力模擬可以借助于現(xiàn)有的大型分析軟件ANSYS/AQWA來完成，充分利用了現(xiàn)有軟件功能強大的結(jié)構(gòu)建模、大型浮體水動力分析及系泊系統(tǒng)耦合動力分析能力，有效實現(xiàn)了浮托安裝駁船與導(dǎo)管架之間撞擊力的快速模擬與分析；
(2)海洋平臺浮托安裝工程中，橫蕩護舷都是成排設(shè)置在浮托安裝駁船的舷側(cè)，以緩沖駁船對導(dǎo)管架的撞擊力。而ANSYS/AQWA中僅有球形護舷單元，在模擬時如果將護舷設(shè)置在駁船的兩側(cè)，將無法保障撞擊力模擬的實時性和有效性。因此本發(fā)明中將球形護舷單元設(shè)置在導(dǎo)管架樁腿上，從而保證了浮托安裝駁船與導(dǎo)管架樁腿碰撞模擬的有效性；
(3)由于剛性碰撞模擬時在護舷單元中輸入的為導(dǎo)管架樁腿的受力變形曲線，以此來模擬駁船與導(dǎo)管架腿的碰撞，使得碰撞模擬分析更加符合實際情況。
[0008]綜上所述，本發(fā)明的海洋平臺浮托安裝剛性碰撞模擬方法可以快速、準(zhǔn)確地模擬浮托安裝過程中的剛性碰撞力，為海洋平臺的浮托安裝設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。同時，通過改變護舷的受力-變形曲線，也可以分析其它類型的碰撞模擬問題，具有較大的應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0010]圖1為本發(fā)明實施例中海洋平臺導(dǎo)管架模型；
圖2為本發(fā)明實施例中浮托駁船模型；
圖3為本發(fā)明實施例中海洋平臺上部組塊模型；
圖4為本發(fā)明實施例中浮托安裝駁船-上部組塊組合模型；
圖5為本發(fā)明實施例中浮托安裝駁船系泊系統(tǒng)模型；
圖6為本發(fā)明實施例中海洋平臺導(dǎo)管架-浮托駁船-系泊系統(tǒng)分析模型；
圖7為本發(fā)明實施例中護舷安裝位置示意圖；
圖8為本發(fā)明實施例中護舷受力-變形曲線；
圖9為本發(fā)明實施例中駁船與導(dǎo)管架腿的撞擊力?！揪唧w實施方式】
[0011]大型有限元分析軟件ANSYS/AQWA沒有直接碰撞模擬的功能，該軟件中僅提供了一個fender單元(即護舷單元),可以分析大型浮式結(jié)構(gòu)物在運動過程中該fender單元上的受力變形問題。
[0012]基于上述，本發(fā)明提出一種海洋平臺浮托安裝碰撞模擬方法，包括如下步驟:
A、按照設(shè)計圖紙，基于大型有限元分析軟件ANSYS建立導(dǎo)管架-浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合分析模型；
B、設(shè)置球型護舷單元；
B1、在導(dǎo)管架樁腿中心設(shè)置球形護舷單元，球形護舷的半徑設(shè)為樁腿的半徑；
B2、利用ANSYS結(jié)構(gòu)靜力分析計算獲取導(dǎo)管架樁腿的受力-變形曲線；
B3、對樁腿受力-變形曲線進行多項式曲線擬合，得到表示該曲線的多項式系數(shù)；
B4、在ANSYS/AQWA中進行護舷單元屬性設(shè)置，輸入表示樁腿受力-變形曲線的多項式系數(shù)，從而設(shè)定了護舷單元的受力-變形屬性，完成護舷單元的剛性碰撞模擬設(shè)置。
[0013]需要說明的是，步驟B4護舷單元屬性設(shè)置時，同樣可以輸入生產(chǎn)廠家提供的橡膠護舷產(chǎn)品的實際受力-變形曲線，則完成了護舷單元的柔性碰撞模擬設(shè)置。
[0014]C、進行浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合動力分析；` D、在結(jié)果文件中讀取護舷單元的受力，即為浮托安裝駁船與導(dǎo)管架之間的撞擊力； 下面結(jié)合實際應(yīng)用說明本發(fā)明在剛性碰撞模擬時分析過程:
一、建立海洋平臺導(dǎo)管架-浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)分析模型為了分析環(huán)境荷載作用下浮托安裝駁船與導(dǎo)管架腿的剛性撞擊力，首先需要建立海洋平臺導(dǎo)管架-浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)分析模型。
[0015]1.建立導(dǎo)管架模型
按照設(shè)計圖紙，利用ANSYS前處理模塊建立海洋平臺導(dǎo)管架模型。本發(fā)明實施例中的海洋平臺導(dǎo)管架為6腿結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主導(dǎo)管成矩形布置，樁腿直徑為1986mm，壁厚45mm。平面尺寸為32mX 34m，有橫梁方向為32m，開口方向為34m。
[0016]2.建立浮托安裝駁船模型
根據(jù)駁船基本資料和型值表數(shù)據(jù)，利用ANSYS/AQWA建立駁船模型。浮托安裝駁船總長為122.45m，型寬為30.5m，型深為7.6m，如圖2所示。坐標(biāo)系如下:x軸指向船首，y軸指向駁船左舷，z軸豎直向上，坐標(biāo)原點位于駁船船舯水線面處(3.Sm)。采用四邊形常數(shù)單元網(wǎng)格劃分船體，共劃分1318個單元。
[0017]3.建立上部組塊模型
按照設(shè)計圖紙，利用ANSYS前處理模塊建立海洋平臺上部組塊模型。浮托安裝的海洋平臺上部組塊由甲板和6根立柱組成，如圖3所示。主甲板為三層，平面尺寸為46mX40m，層高8m。組塊頂層上設(shè)吊機2座，上部組塊的安裝重量為4200噸。將ANSYS前處理模塊建立的海洋平臺上部組塊模型導(dǎo)入到ANSYS/AQWA中，并與浮托安裝駁船組合在一起，形成浮托安裝駁船-上部組塊組合模型，如圖4所示。
[0018]4.建立系泊系統(tǒng)模型
按照設(shè)計要求建立浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)分析模型。系泊系統(tǒng)由8根直徑為60mm、相同長度的錨鏈組成，錨鏈在空氣中質(zhì)量為71.77 1^/111，水中質(zhì)量為62.44 kg/m，錨鏈剛度EA為26925t，破斷力為3144.82KN。利用AQWA-DRIFT模塊進行系泊系統(tǒng)建模，AQWA中浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)的詳細(xì)布置如圖5所示，圖中所標(biāo)數(shù)字為系泊系統(tǒng)的水平長度。
[0019]5.建立導(dǎo)管架-浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)分析模型
將上面建立的海洋平臺導(dǎo)管架模型、浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)分析模型進行組合，得到用于浮托安裝駁船與導(dǎo)管架腿剛性撞擊力模擬的系統(tǒng)耦合動力分析模型，如圖6所示。
[0020]二、設(shè)置球型護舷單元
在ANSYS/AQWA模型中，通過在導(dǎo)管架六個樁腿上布置球型護舷來模擬船舷與導(dǎo)管架樁腿之間的剛性碰撞。當(dāng)浮托安裝駁船在海洋環(huán)境荷載作用下發(fā)生運動時，會與護舷發(fā)生碰撞，從而可以計算得到護舷的受力，即為碰撞力。
[0021]1.將球型護舷的中心設(shè)置在導(dǎo)管架樁腿中心，且球形護舷的半徑設(shè)為樁腿的半徑，護舷安裝位置如圖7所示。
[0022]2.利用ANSYS前處理模塊建立的導(dǎo)管架模型獲取樁腿受力-變形曲線。在樁腿上逐級施加荷載，并計算得到每級荷載作用下樁腿的位移變形，從而可以得到樁腿的受力-變形曲線，如圖8所示。
[0023]3.在AQWA/DRIFT中進行護舷單元屬性設(shè)置，輸入受力-變形曲線，完成護舷單元的剛性模擬設(shè)置。
[0024]三、進行浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合動力分析
1.在ANSYS/AQWA中設(shè)置計算所需要的環(huán)境參數(shù)，如波高1.5m，譜峰周期為6.4s，波浪方向為90°入射，計算時長為3小時，時間步長為0.5s等。
[0025]2.進行耦合動力分析，等待計算結(jié)束。
[0026]四、讀取護舷單元的受力；
當(dāng)ANSYS/AQWA計算結(jié)束后，在后處理模塊AQWAGS中打開計算產(chǎn)生的后綴為“PLT”的文件，即可得到護舷單元的受力情況，如圖9所示，此即為浮托駁船與導(dǎo)管架的碰撞力。
[0027]以上為剛性碰撞時的模擬分析方法，對于柔性碰撞，只需在設(shè)置護舷單元屬性時，采用生產(chǎn)廠家提供的實際受力-變形曲線即可。
[0028]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法，其特征在于包括如下步驟: A、基于大型有限元分析軟件ANSYS建立導(dǎo)管架-浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合分析模型； B、設(shè)置球型護舷單元； B1、設(shè)置球形護舷單元的半徑及安裝位置； B2、在ANSYS/AQWA中進行護舷單元屬性設(shè)置，輸入護舷的受力-變形曲線； C、進行浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合動力分析； D、在結(jié)果文件中讀取護舷單元的受力，即為浮托安裝駁船與導(dǎo)管架之間的撞擊力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法，其特征在于，在柔性碰撞模擬時，所述B2步驟中的受力-變形曲線為生產(chǎn)廠家提供的護舷產(chǎn)品的實際受力-變形曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法，其特征在于，所述BI步驟中球形護舷單元設(shè)置在導(dǎo)管架樁腿中心，球形護舷單元的半徑設(shè)置為樁腿的半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的海洋平臺浮托安裝碰撞模擬分析方法，其特征在于，在剛性碰撞模擬時，所述B2步驟中的受力-變形曲線通過如下步驟獲得: B21、利用ANSYS結(jié)構(gòu)靜力分析計算獲取導(dǎo)管架樁腿的受力-變形曲線； B22、對樁腿受力-變形曲線進行多項式曲線擬合，得到表示該曲線的多項式系數(shù)。
【文檔編號】G06F17/50GK103617333SQ201310677429
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】王樹青, 王文娟, 李華軍, 張敏 申請人:中國海洋大學(xué)