摘 要

在目前的钻井技术中，单筒三井技术位于科技的前沿领域，在海洋边际油田的开采以及调整井的开发作业等方面被广泛的采用，是有着重要现实意义的海洋工程结构物，研究其在海洋环境条件下的静动力响应对提高结构物本身的使用寿命有着重要意义。

本文通过使用通用有限元软件ANSYS对一个单筒三井简易导管架平台的桩腿进行了静力分析、模态分析和动力分析。

本文首先介绍了在采用ANSYS对单筒三井简易导管架平台的桩腿进行静动力分析的基本假定条件、基础理论知识，包括风力、波浪力的计算、在模拟该平台桩腿时所需要用到的有限元单元的基本特性和对结构进行静力分折和动力分析时的理论基础。其次本文使用ANSYS对单筒三井简易导管架平台桩腿结构进行了模拟，计算出了在给定的海洋环境条件下的波流耦合力极值所对应的相位角大小、单筒三井简易导管架平台桩腿的静力响应、导管架平台桩腿的固有频率和固有振型，计算出瑞利阻尼系数，以此为基础，从而得以进行波浪载荷作用下单筒三井简易导管架平台桩腿的瞬态动力响应。然后本文借助ANSYS后处理器对以上各种响应的结果进行了输出，包括结构整体变形、位移、等效应力、固有频率、固有振型和典型节点的时间位移曲线、时间应力曲线等。最后，本文对数值仿真的结果进行了评估和总结。

关键词：单筒三井；导管架平台；静力分析；动力分析；

Abstract

In the present drilling technique, monocular mitsui technology is located in the frontier of science and technology, the ocean marginal oilfield exploration and development of adjustment Wells homework etc widely adopted, is has important practical significance of ocean engineering structures, the paper studies the static and dynamic under the condition of the Marine environment response to improve the service life of the structure itself has important significance.

In this paper, the static analysis, modal analysis and dynamic analysis of the pile leg of a simple jacket platform for a single well are carried out by using the general finite element software ANSYS.

This article first introduces the adopted ANSYS monocular mitsui simple jacket platform leg of the basic assumptions of the static and dynamic analysis, the basic theory knowledge, including the calculation of the force of wind, wave, in the simulation of the platform leg when required by the finite element unit, the basic features and structure of static partition and the theoretical basis of dynamic analysis. Secondly this article USES the ANSYS platform leg monocular mitsui simple jacket structure is simulated and calculated for the given to the Marine environment under the condition of wave flow coupling the extremum corresponding to the phase Angle size, monocular mitsui simple static response of the jacket platform leg, jacket, natural frequencies and natural modes of the platform leg, calculate the Rayleigh damping coefficient, On this basis, the transient dynamic response of the pile leg of the simple jacket platform in well no.3 can be obtained under the action of wave load. Then, the ANSYS post-processor is used to output the results of the above responses, including the overall deformation, displacement, equivalent stress, natural frequency, natural vibration mode, and time displacement curve and time stress curve of typical nodes. Finally, the results of numerical simulation are evaluated and summarized.

Keywords: single-barrel mitsui; Jacket platform; Static analysis; Dynamic analysis;

目录

第1章 绪论 1

1.1目的 1

1.2意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.4本文研究工作 3

第2章 基本理论与研究方法 4

2.1风力计算的基本方法 4

2.2波高和波周期的计算 4

2.3波浪力的计算 5

2.4静力分析的基本理论 5

2.4.1 基本定义 5

2.4.2静力分析中的荷载 6

2.4.3静力分析的种类 6

2.4.4分析步骤 6

2.5模态分析的基本理论 6

2.5.1模态分析的定义 7

2.5.2基本方程 7

2.5.3模态分析的方法 8

2.5.4分析步骤 8

2.6瞬态动力分析的基本理论 8

2.6.1基本定义 8

2.6.2基本方程 9

2.6.3求解方法 9

2.6.4求解步骤 9

2.7分析海洋平台所用ANSYS单元的特性 10

2.7.1 PIPE16单元的特性 10

2.7.2 PIPE59单元的特性 11

2.7.3 MASS21单元的特性 12

第3章 模型的建立和静力分析 14

3.1模型参数 14

3.2环境参数 14

3.3基本假定 14

3.4ANSYS模型 14

3.4.1几何模型 14

3.5波浪相位角的搜索 20

3.6静力分析 21

3.6.1静カ分析求解 21

3.6.2静力结果分析 21

第4章 动力分析 26

4.1模态分析 26

4.1.1进行模态分析 26

4.2瞬态动力分析 28

4.2.1瞬态动力求解 28

4.2.2结果分析 28

第5章 总结 31

致谢 32

参考文献： 33

第1章 绪论

1.1目的

单筒三井结构简易导管架平台可以说被广泛的应用于海上边际油田的开采作业，因为该平台有着结构相对简单，施工过程较为方便，建造成本低等多项优点。研究单筒三井简易导管架平台桩腿的静动力响应对更好地了解与应用单筒三井简易导管架平台有着重要的作用。在分析的过程中，作用在单筒三井简易导管架平台的桩腿的荷载大部分源自两个部分：一部分是源自平台顶部的自重对桩腿的力，另一部分则源自海洋环境载荷，通过使用ANSYS软件用数值仿真方法研究单筒三井简易导管架平台桩腿的静动力响应，可以准确地知道单筒三井简易导管架平台在正常使用过程中的具体变化情况，因此对单筒三井简易导管架平台的研究具有相当重大的意义。

1.2意义

单筒三井简易导管架平台桩腿的静动力响应的研究对深入了解和应用单筒三井简易导管架平台具有十分重要的意义。单筒三井简易导管架平台桩腿的静动力分析主要是研究平台桩腿在风荷载、顶部平台荷载、静态波流载荷作用下的静力响应以及动态波流载荷作用下的瞬态动力响应。

在目前的钻井技术中，单筒三井技术位于科技的前沿领域，广泛应用于对海洋边际油田的开采以及调整井的开发作业中，对各种环境情况都具有良好的适应性，它不仅解决了由于平台槽口不足而导致的没有办法完全开发石油储层的问题，而且相较于其他技术上节约了对油田进行挖掘所需要的资金，从而减小了海上平台的设计尺寸以及降低了海上平台建造的数量，节约了建造成本，对油田进行更完全的开采利用，大幅度的节约了对油田进行开发所需要的资金。

对于简易导管架平台来说，如果采用单筒三井的结构形式，在主桩的里面设置三根导管，这三根导管的作用是用来隔水的，不仅可以使建造工程简便而且还可以达到节约平台的建造费用的目的。在这种构造形式下，原本建造在主桩里面用来阻隔水的三根导管现在不仅可以作为在钻井过程中的输出输入的往返通道，也可以作为结构物的在竖直方向上的支柱，这样的结构形式相较于其他结构更具有可靠性。

在我国的油田开采工作中，广泛使用的开采技术便是单筒多井技术，而其中又数单筒双井和单筒三井技术较为常见，两者之间单筒双井技术在多处海洋油田开采工作中都有使用过的案例，有着较为成熟的施工技术，但是单筒三井开采技术则较为少见，在国内的油田中几乎没有成功使用的案例，除了涠洲油田的工程中，因此我们需要是对单筒三井技术进行深入研究，以弥补了国内钻井范畴在该方面的空白。

如果对现实中的单筒三井简易导管架平台桩腿或者通过采用缩尺模型进行水中的静动力试验，会导致较高的实验成本，而且实验的难度也比较大，所以通过运用数值模拟的方法对单筒三井简易导管架平台桩腿进行研究分析就变得十分重要。在本文我将运用通用有限元软件ANSYS对单筒三井简易导管架平台的桩腿进行静动力分析。研究结果对我们深入了解单筒三井简易导管架平台桩腿的应力分布和变形特征有着重要帮助，对如何设计和充分利用单筒三井简易导管架平台提供了一个数据参考。

1.3国内外研究现状

到目前为止，国内外学者已经对导管架平台桩腿的静力响应和动力响应进行了很多研究。Chen等^[1]基于塑性下限定理提出了一种确定桩基系统承载力的简化方法，与现有的上限解和有限元解相比，所提出的下限法能够准确、高效地预测基础系统的极限承载力。Li等^[2]采用半解析数值方法-比例边界有限元法研究了波浪荷载作用下桩基的时变特性，揭示了波浪荷载为主导因素时的桩基的瞬态特征。Zhang等^[3]建立了包括波浪和海床子模型在内的三维综合数值模型，用于研究波浪对桩基平台周围海床响应的影响，对桩基平台模型与无平台桩基模型进行综合比较，以考察平台对桩基的影响，研究了波、桩基础及海床特征对波浪作用下海床和桩基平台的响应的影响。Basack^[4]进行了大量的试验和理论研究，研究了桩土相互作用性能的退化的显著特征，并针对海岸水域的桩基提出了一种可行的设计方法。

国内方面，王雅杰^[5]利用摇板进行排水制造波浪，通过实时监测自由水表面随时间的变化特征，成功建造了一个波浪模拟水池，以此为基础来研究导管架平台的瞬态动力响应情况。陈旭骏和张圩^[6]使用向量式有限元的方法，先把杆件假定成梁结构形式，以此对导管架平台进行静力分析，然后进一步分析局部结构和整体结构的应力特征和力学状态，来对平台整体结构在极端海洋环境状况下的安全性和可靠性进行评估。卢云亮^[7]结合了两种不同的方法来研究海洋平台在海冰作用下的震动是否与海冰的数值参数有较大的关联，通过研究得出了以海冰数值为基础的计算导管架平台振动特征的通用公式。曹文冉等^[8]以传感技术为基础建立了一种系统来对海洋平台的变形进行检测，通过将测点有效布置在平台结构的确切位置上，来对导管架平台结构在静力载荷的作用下的变形进行检测，通过该实验它们提出了一种用于分析结构超载上限的关系曲线，以此来监测结构物的安全可靠性。刘洋^[9]研究的是浅水区域中的导管架平台，为了分析浅水平台的受力特点，他模拟了各种不同波高的海洋荷载，研究浅水结构在不同状况下的特征反应，以此为基础提出了如何帮助海洋结构抵抗海啸侵袭的宝贵的操作想法。朱佐鑫^[10]从多个方面着手对实验进行分析，通过与冰力计算模型进行关联，提出了一种用于计算在冰载荷作用下的动力响应的分析模型，指出了冰的作用形式与对结构整体的影响有较大关联。宋安等^[11]为了研究导管架平台在冰载荷作用下的特征响应，对海洋结构的桩腿进行海冰环境条件模拟，分析研究出海冰的堆积会导致冰排的组合方式发生错乱，并且使冰力的大小不超过冰力值的设计大小。左华楠^[12]的研究则主要是针对在各种恶劣环境下的深水导管架平台，研究它们在此环境下的结构强度。石晓等^[13]的研究对象是一个在分析过程中只考虑重力的导管架平台，经过比照各种吊装方案下的受力，选择了最佳吊点位置。赵海培^[14]在前人的研究成果的基础上，研究了冰荷载对抗冰海洋平台的影响，得出了海洋平台在各种海洋环境下的冰载荷承载力极限受何种因素的影响，以此为基础对海洋平台结构在抵抗冰载荷的方面进行了优化和改进。刘伟^[15]通过模拟实际海域中导管架平台，并以此为研究对象，研究了海洋平台结构在风、波浪、海流、地震等经常遇到的载荷作用下的结构性能以及结构响应。

1.4本文研究工作

本文通过利用通用有限元软件ANSYS计算单筒三井简易导管架平台的桩腿在风波流载荷作用下的静力和动力响应，包括波流耦合力极值作用下单筒三井简易导管架平台桩腿的静力分析、单筒三井简易导管架平台桩腿的固有频率振动分析和波浪载荷作用下单筒三井简易导管架平台的瞬态动力响应分析，主要研究工作如下：

（1）第1章首先介绍了本文的研究背景、研究该平台的目的和意义，然后对国内外有关单筒三井简易导管架平台的结构分析的研究现状进行了概述。

（2）第2章介绍了单筒三井简易导管架平台桩腿的静力和动力分析的一些主要的基础理论和风力、波浪力载荷的基本计算方法，以及在使用ANSYS进行平台静力和动力分析时所需要用到的单元的特性进行了概述和分析。

（3）第3章使用通用有限元软件创建了单筒三井简易导管架平台桩腿的有限元模型，并计算了波流耦合力极值，确定了该极值下所对应的相位角大小，以及在波流耦合极值作用下单筒三井简易导管架平台桩腿的静力响应。输出了平台桩腿的结构整体变形图、节点位移等值线云图、单元应力等值线云图和内筒单元等值线云图。

（4）第4章对第3章已经建立的导管架平台桩腿的有限元模型进行了动力方面的相关分析，包括计算导管架平台桩腿的固有频率和固有振型和波浪载荷作用下导管架平台的瞬态动力响应。输出了典型节点的位移时间曲线和典型单元的应力时间曲线。

（5）第5章对计算结果进行了分析并且总结了本文的工作。

第2章 基本理论与研究方法

2.1风力计算的基本方法

在一定速度下，空气作用在结构物上会产生一定的压力，即风压，在理论上，它与速度成一定的函数关系，为计算理论风力的的大小，我们可以使用如下公式进行计算：

（2.1）

作用在结构物上的风的作用力大小与力的作用面积有关，假如作用部分的投影面积大小是A，则风的总作用力F可以通过下式进行计算：

（2.2）

式中:F-风的作用力大小，N

K-风载荷的形状系数

-海上风压高度的变化系数，按规范取1.0

1. 受风作用的面积,

-基本风压大小 可以通过公式=进行计算

公式中-风压的计算系数，取0.613N,-设计风速,m/s

对于本文的分析，风速是45 m/s。

2.2波高和波周期的计算

海洋中会出现各种各样的波浪形式，为了计算波浪的要素，研究者们通过一个系统的方法建立了海浪谱理论，这个理论被认为是十分合理的，海浪谱的公式如下所示：

s= （2.3）

其中，A=0.0082，B=0.74，

如果我们使用谱距计算公式进行统计参数，计算如下所示：

有效波高

零交叉波周期

其中，

在本文的分析中，我们可以从上述公式中估算当风速是45 m/s时有效波高为11.3m，波周期为8.3s。

2.3波浪力的计算

波浪力在海洋结构物上的作用形式是相当复杂的，确定的过程是一项艰巨的任务，我们可以通过不同的理论来对波浪进行描述。目前为止有三种基本的波浪理论: (1)正弦波(2)椭圆余弦波(3)孤立波。这三种理论对应不同的使用情况，我们需要在计算的时候在三种理论中先抉择出一种适宜的波浪理论，经过合适的计算公式来确定水质点的速度大小以及加速度大小。一般来说深水波选择正弦波理论较为合适。本文研究采用三种中的正弦波理论。

每延米的波浪作用力大小是:

F=0.5 （2.4）

在这个公式中，和分别表示阻力系数和惯性系数，表示水的密度大小，D表示桩的直径大小，u表示水的速度大小，表示水的加速度大小。

水质点在水平方向上的速度大小和加速度大小可以分别用下式表达:

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