海洋石油平台课程设计(编辑修改稿)

海洋石油平台课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 功能强大、使用灵活。 该软件可在大多数计算机及操作系统（如 Windows、 UNIX、 Linux）中运行，从 PC 机到工作站直至巨型计算机 ， ANSYS 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。 它开发了第一个集成的计算流体动力学（ CFD）功能，也是第一个且是唯一一个开发了多物理场分析功能的软件。 ANSYS 多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热 — 结构耦合、磁 — 结构耦合以及电 — 磁 — 流体 — 热耦合，在 PC 机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了 ANSYS 对多领域多变工程问题的求解。 ANSYS 的发展历史 ANSYS 公司从建立之初到现在，已经历将近 40 年的历史。 公司成立于 197年，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。 近 40 年来， ANSYS 公司一直致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有限元技术的发展，并为全球工业广泛接受，其用户遍及全世界各地。 ANSYS 软件的第一个版本仅提供了热分析及线性结构分析功能，像当时的大多数程序一样，它只能是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。 20 世纪 70 年代初， ANSYS 软件中融入了新的技术以及用户的要求，从而使程序发生了很大的变化，非线性、子结构以及更多的单元类型被加入到子程序。 70 年代末，交互方式的 加入是该软件最为显著的变化，它大大地简化了模型生成和结果评价。 在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件；在分析完成之后，计算结果的图形显示，立即可用于分析检验。 目前该软件已发展到 版本，其功能更加强大，使用更加便利。 ANSYS 分析模拟工具易于使用、支持多种工作平台。 同时该软件提供了一个不断改进的功能清单，包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变 /有限元转动功能以及利用 ANSYS 参数化设计语言（ APDL）的扩展宏命令功能。 基本功能 ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。 软件提供了 100 种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料。 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分海洋石油平台设计 8 析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 后处理模块可将计算结果以彩色等 值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 启动 ANSYS，进入主界面（如图 11 所示）以后，程序停留在主程序界面。 从主菜单可以进入各处理模块： PRE7（通用前处理模块）， SOLUTION（求解计算模块）， POST 1（通用后处理模块）， POST26（时间历程后处理模块）。 ANSYS 用户手册的全部内容都可以联机查阅，可以通过 ANSYS 帮助系统查看所有的单元介绍、基本原理等信息。 图 11 ANSYS 主界面 用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。 命令一经执行，该命令就会在 LOG 文件中列出，打开输出窗口可以看到 LOG 文件的内容。 如果软件运行过程中出现问题，查看 .LOG 文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根源。 LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由 ANSYS 自动读入执行，这是 ANSYS 软件的第二种命令输入方式。 这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 了解 ANSYS 的基本知识之后，下面就来介绍在 ANSYS 中进行结构有限元分析的一般流程。 一般地，一个完整的 ANSYS 结构分析过程包括下面一些基本操作和环节。 (1)前处理过程 海洋石油平台设计 9 前处理是整个分析过程的开始阶段，其目的是在于建立一个符合工程实际情况的结构有限元分析模型，为后继的分析创建对象。 双击实用菜单中的【 Preprocessor】，进入 ANSYS 的前处理模块。 这个模块主要包含如下的几个操作环节。 1）分析环境设置 进入 ANSYS 分析环境界面后，指定分析的工作名称以及图形显示的标题，开始一个新的结构分析。 2）定义单元类型、实常数及材料模型 定义在分析过程中需要用到的单元类型，对于单元类型的选择，一般要结合工程实际情况及 ANSYS 单元库相应单元的属性进行选择，遵循所选择的单元类型要能够反映实际问题的特性的原则。 单元类型定义完成后，需要设置相关的单元实常数（如：梁单元的横截面面积、惯性矩，管单元的外径、壁厚等），指定分析中所用到的材料模型以及相关的材料参数（如：弹性模量、泊松比、密度、屈服极限等）。 3）建立几何模型及网格划 分 建立几何模型就是要建立一个与实际结构外形大致相同（程度由结构的简化原则而定）的几何图形元素组合体。 ANSYS 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下模式与自底向上模式。 自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。 用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱体结构。 无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而得到一个实体模型。 ANSYS 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、 相减、相交、分割、粘结和重桑。 在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少大量的建模工作量。 ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动和拷贝实体模型图元的功能。 附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成而和体、线与而的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除等操作。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 ANSYS 程序提供使用便捷、高质量的对 CAD 模型进行网格划分功能，包括四 种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。 延伸网格划分可将一个一维网格延伸成一个二维网格。 映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 ANSYS 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。 自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差 ，直到误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 4）定义边界条件及约束条件 在上述的有限元模型上，引入实际结构中的边界条件，自由度之间的耦合关系以及其他的一些约束条件。 注意：定义边界条件及约束条件也可以在求解模块中设置。 另外，在 ANSYS建模过程中，也可以直接由建立节点的方式直接建立单元模型。 海洋石油平台设计 10 (2)求解过程 前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工具区的【 SAVEDB】将前处理模块生成的模型存盘退出【 Preprocessor】，点击实用菜单项中的【 Solution】进入 分析求解模块。 在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 1） 设定分析类型 ANSYS 软件提供的分析类型如下： 结构静力分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。 静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响不显著的问题。 ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 结构动力学分析：结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。 与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。 ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括 :瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。 ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 动力学分析： ANSYS 程序可以分析大型二维柔体运动。 当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析 复杂结构在空间中的运动特性，确定结构中山此产生的应力、应变和变形。 热分析：程序可处理热传递的二种基本类型 :传导、对流和辐射。 热传递的二种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。 热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热 — 结构耦合分析能力。 流体动力学分析： ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。 分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。 另外，还可以使用二维表而效应单元和热 — 流管单元模拟结构的流体绕流，包括对流换热效应。 在选定分析类型后，需要设置相关的参数，比如分析所用到的求解器类型、非线性选项和迭代次数设置、模态分析的模态提取方法和模态扩展数的等各种分析选项。 2）定义载荷信息 ANSYS 结构分析的载荷包括位移载荷、集中力（包括弯矩）、表面载荷、体积载荷、惯性力以及耦合场载荷（如热应力）等。 可以将结构分析的载荷施加到几何模型上或者有限元模型上。 施加在几何模型上的载荷是独立于有限元网格的，当在划分网格时，是不会影响到已近施加的载荷的。 施加到有限元模型上的载荷网格修改时将会 失效，需要删除先前的载荷并在新的网格上重新定义载荷。 对于施加在几何实体模型上的载荷， ANSYS 程序将自动将其转换到有限元模型上进行求解。 3)求解计算 在施加了载荷并设置了相关的分析选项之后，即可调用求解程序开始求解。 在求解过程中，可以通过屏幕窗口获取计算过程的一些相关信息，诸如载荷步、收敛曲线等。 海洋石油平台设计 11 (3)后处理过程 ANSYS 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块 POST1 和时间历程后处理模块 POST26。 通过友好的用户界而，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。 这些结果包括位移、 温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。 1）通用后处理模块 POST 1 单击菜单项中的【 General Postproc】选项即可进入通用后处理模块。 此模块能对前面的分析结果以图形方式显示和输出，例如，计算结果 (如应力 )在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值 (如应力值 )。 用不同的颜色代表不同的数值区 (如应力范围 )，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。 2）时间历程响应后处理模块 POST 26 点击实用菜单项中的【 TimeHist Postprc】选项即可进入时间历程响应后处理模块。 这个模块用于检查在一个时间段或一个子步历程中的结果，如节点位移、应力或支座反力。 这些结果能通过绘制曲线或列表查看，绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。 另外， POST26 还可以进行曲线的代数运算。 综上所述，对 ANSYS 结构分析的基本过程进行了简单的介绍，希望读者能够对 ANSYS 分析的基本过程有一个初步的认识。 海洋石油平台设计 12 第二章 导管架平台整体结构分析 导管架平台简介 本节以海洋石油导管架平台为对象，采用 GUI 菜单操作和命令流相结合的方式，详细介绍了 ANSYS 建立海洋平台有限元模型的全过程，针对海洋平台的各种环境载荷，采用相应的 ANSYS 分析类型分别进行计算，目的是希望通过具体实例，加者对 ANSYS 结构整体分析的理解，以及对复杂海洋结构物分析的方法。 本节包括如下的一些问题：平台结构模型的建立，海洋平台整体结构的静力分析，海洋平台的模态分析，波浪载荷作用下海洋平台的瞬态动力分析 平台整体模型建立 本节结合工程实例以导管架平台为对象，按照结构特点分析、单元类型 选择、材料参数设定、建立几何模型、划分有限元网格的顺序，详细介绍 ANSYS 建立海洋导管架平台有限元模型的过程。 建模过程中，采用 APDL 命令流和 GUI 菜单相结合的方式。 : 水深： 50m 风速： 有效波高： ， 有效波周期： ， 海面流速： ，中部流速： ， 底部流速：。 海冰：厚度： 32cm，抗压强度 199。