夏厚貴

0 引言

在海洋工程領(lǐng)域,固定式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用。由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)通常建在深海地區(qū),結(jié)構(gòu)除了承受靜荷載以外還受到波浪等動(dòng)荷載的作用,會(huì)引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng),產(chǎn)生較大的位移。為了確保安全,僅僅考慮平臺(tái)的靜態(tài)效應(yīng)是不充分的,有必要考慮動(dòng)力作用,進(jìn)行平臺(tái)動(dòng)力分析。當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自振周期與波浪的周期相差較遠(yuǎn)時(shí),可只進(jìn)行靜力分析,因?yàn)檫@時(shí)靜力分析結(jié)果與動(dòng)力分析結(jié)果相差不大。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式及計(jì)算模型

該平臺(tái)泥面以上的總高程為98 m,在90 m和98 m處為工作平臺(tái),其中主導(dǎo)管的直徑和壁厚分別為1.2 m,0.03 m,撐桿尺寸分為三種類型,分別為0.8 m,0.02 m;0.5 m,0.02 m;0.3 m,0.15 m,導(dǎo)管架底部采用等效樁的方式在6倍樁徑處固結(jié),平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2 環(huán)境要素與波浪力計(jì)算

2.1 環(huán)境要素

該平臺(tái)所處海域的水深為80 m,極限條件下波高為5 m,波周期8 s,波長(zhǎng)為120 m。

2.2 波浪荷載計(jì)算

對(duì)小尺度圓形構(gòu)件,垂直于其軸線方向的單位長(zhǎng)度的波浪力f可按Morison公式計(jì)算:

其中,Cd,Cm分別為拖拽力系數(shù)和慣性力系數(shù);ρ為海水密度;D為圓柱直徑;u和˙u分別為水質(zhì)點(diǎn)垂直于構(gòu)件的速度和加速度。

在計(jì)算波浪力時(shí)應(yīng)根據(jù)海區(qū)的波浪參數(shù)選用不同的波浪理論,本文選用斯托克斯三階波理論進(jìn)行計(jì)算,除此之外還應(yīng)對(duì)不同的波浪入射角和不同的相位角進(jìn)行搜索,以得到在某一入射方向產(chǎn)生的最大波浪力及相應(yīng)的波峰位置。

3 海洋平臺(tái)靜力分析

通過以上介紹的方法,首先對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析,得到最不利的波浪入射方向及其對(duì)應(yīng)的波峰相位角,確定最不利波浪入射方向,為此對(duì)波浪入射方向進(jìn)行 360°搜索,圖2為不同波浪入射角對(duì)應(yīng)的水平波浪力,由圖2可以看出入射角為 45°時(shí),平臺(tái)遭受的水平波浪力最大。

確定了最不利波浪入射角后,還要確定在此入射方向上,最大水平波浪力對(duì)應(yīng)的波峰相位角,為此對(duì)波峰相位角進(jìn)行360°搜索。圖3為波浪入射角為45°時(shí),不同波峰相位角對(duì)應(yīng)的水平波浪力,由圖3可以看出,當(dāng)相位角為65°時(shí),平臺(tái)遭受的水平波浪力最大。

由以上分析可知,當(dāng)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí),應(yīng)選波浪入射角為45°,波峰相位角為65°。

圖4為波浪入射角45°,波峰相位角65°對(duì)應(yīng)的平臺(tái)變形圖,由圖4中可以看出,在此種工況下平臺(tái)的最大水平位移為0.021 m。

表1 平臺(tái)固有頻率 Hz

4 海洋平臺(tái)動(dòng)力分析

在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí),通常首先要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,以確定結(jié)構(gòu)的自振頻率,盡量使荷載的頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率錯(cuò)開,經(jīng)分析結(jié)構(gòu)的前10階頻率如表1所示。

對(duì)平臺(tái)進(jìn)行完模態(tài)分析后,還應(yīng)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行波浪力作用下的瞬態(tài)分析,由于波浪入射角為45°時(shí)結(jié)構(gòu)遭受的波浪力最大,所以進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)取波浪的入射角為45°。圖5為平臺(tái)頂點(diǎn)y軸方向位移與時(shí)間的關(guān)系。

5 結(jié)語

以上針對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)給出了平臺(tái)在波浪力作用下的靜、動(dòng)力分析過程,通過分析得到,結(jié)構(gòu)的固有頻率為0.989 8 Hz,結(jié)構(gòu)的最大靜位移為0.021 m,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在 y方向的最大動(dòng)位移為0.015 m。

[1] 尚曉江.Ansys結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

[2] 楊樹耕.有限元分析軟件Ansys在海洋工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2000(2):15-16.

[3] 李 茜.采用Ansys程序的自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿Ψ治鯷J].中國(guó)海洋平臺(tái),2003(4):78-79.