校级项目：四桩腿导管架平台的强度分析

校级项目：深海Spar平台双船浮托安装数值模拟研究

开拓学生思路，解答学生在研究过程中的疑惑，指导使用ANSYS软件分析数据，保证结果的正确性。

使用ANSYS有限元分析软件计算导管架平台在不同吊装位置进行吊装的受力情况，分析不同吊点下的导管架桩腿结构的变形、应力、应变等参数，得到最佳吊点位置，为以后导管架平台的吊装安装提供一定参考价值。

吊装是海洋工程施工中的重要一步，大部分的海洋石油平台最终就位需要浮吊在海上实施吊装作业来完成。吊装分析就成为确保吊装作业安全可靠的基础，保证被吊装结构、吊装索具及施工船舶的安全，工程界总结出许多相应的规范或手册来指导吊装分析，其中使用最广的就是美国API规范和英国LOC手册，采用这两份文件为设计指南，选取同一浅水导管架结构，分别进行吊装分析，并将用两种方法进行导管架结构强度校核结果及吊装索具选择作对比，为海洋石油平台的吊装计算的规则选用提供借鉴。

研究目标

使用ANSYS有限元分析软件计算导管架平台在不同吊装位置进行吊装的受力情况，分析不同吊点下的导管架桩腿结构的变形、应力、应变等参数，得到最佳吊点位置，为以后导管架平台的吊装安装提供一定参考价值。

研究内容

吊装是海洋工程施工中的重要一步，大部分的海洋石油平台最终就位需要浮吊在海上实施吊装作业来完成。吊装分析就成为确保吊装作业安全可靠的基础，保证被吊装结构、吊装索具及施工船舶的安全，工程界总结出许多相应的规范或手册来指导吊装分析，其中使用最广的就是美国API规范和英国LOC手册，采用这两份文件为设计指南，选取同一浅水导管架结构，分别进行吊装分析，并将用两种方法进行导管架结构强度校核结果及吊装索具选择作对比，为海洋石油平台的吊装计算的规则选用提供借鉴。

研究过程

一、2018年6月-2018年7月：选择课题，了解自己的课题研究内容研究背景及意义

在老师的帮助下已了解了国内外导管架结构的变化与发展历程，吊装方案的逐步改变和发展。明白了导管架结构和吊装方案对整个项目的重要性。也明白了导管架在生产，到组装，再到吊装的过程。同时也明白了在这一系列过程中安全的重要性。并且在指导老师的推荐下，阅读一些理论书籍，通过自学、集体讨论，交流学习心得，不断提高理论素养。

该阶段已完成。但部分文档、文献为英文书写，而且同学们对于专业英语未掌握太多，阅读有难度。

二、2018年8月-2018年10月：学习ANSYS软件并建立导管架结构的有限元模型

学习ANSYS的学习，尝试建立简单的导管架结构模型并对其进行简单的分析；提炼研究初步成果，撰写中期研究报告，准备接受中期评估验收，进一步调整研究方向、改进研究过程。

已初步完成对ANSYS软件的学习，建立了简单的导管架结构模型并进行了简单的分析。但该模型过于简单不具有代表性，也不具有特殊性。这一阶段的主要任务是提炼研究初步成果，撰写中期研究报告，接受中期评估验收，进一步调整研究方向、改进研究过程。

三、2018年11月-2019年5月撰写论文

1裙装套筒的构成

1.1裙装套筒结构

裙装套筒结构如图1所示，由以下几部分组成：

（1）剪力板、轭状作用板、裙板：特定作用及特定位置上的钢板。

（2）裙装套筒导向：为钢装进入裙装套筒作导向作用。

（3）卡装器：其作用是紧固钢装。主要是在海上打装过程中，遇到强风时启动卡装器液压顶紧锁钢装，保持导管架在海中的稳定性，以及打装后利用卡装器的锁装效用，保持导管架稳定的立于海中。

（4）封隔器：位于各裙装套筒的底部，包括外部胶皮和紧贴套筒内壁的气囊组成，两者都是为紧固钢装及防止所灌的浆体流出之用，气囊在钢装打入裙装后，在导管架顶部通过管线将气体（氮气）充入囊内，气囊涨满并包紧钢装，达到上述目的^[3]。

图1 裙装套筒

1.2裙装套筒重量分布

结构总重为：主结构重量、阳极重量、吊点重量及脚手架重量之和乘以1.05倍的重量不确定系数。具体重量分布如表1所示。

表1 裙装套筒的重量分布

2 裙装套筒结构吊装的有限元分析

2.1裙装套筒结构模型的建立

导管架平台的裙装套筒结构的的吊装计算分析过程主要包含以下三个步骤：

（1）建立裙装套筒有限元模型：裙装套筒的主结构模型采用两种单元建立，导管、套筒、YOKE板等采用PIPE59、SHELL181单元，其中忽略了次要构件如圆钢、肘板、吊绳等^[4]。利用ANSYS软件建立裙装套筒结构的几何模型，定义材料属性和截面参数，完成划分网格，建立结构的有限元模型，如图2所示。

图2裙装套筒主结构有限元模型

（2）应用荷载和求解：根据场地约束条件的具体情况和模型荷载，模拟实际施工情况。

在完成模型建立跟网格划分之后，需要对该模型进行静力分析，在进行静力分析时，可以简化为裙装套筒模型在自重情况下产生变形，然后分析其强度和稳定性。在施加约束时，吊点处节点施加XYZ全约束。X方向重心处节点约束UX自由度，Z方向重心处节点约束UZ自由度。

（3）查看结果：根据结果文件视图进行求解，并分析是否符合实际需求的分析模型。

对裙装套筒模型施加约束和载荷后，利用ANSYS程序对其进行求解，从结果文件中就可以得到该结构变形和应力云图，从而可以判断裙装套筒在吊装过程中是否满足强度和稳定性要求。

2.2数据分析

（1）裙装套筒六吊点吊装分析：

图3六吊点吊装时裙装套筒模型吊装应力云图

套筒的屈服强度为355MPa，故结构的许用应力为3550.6=213MPa，由图3可以读出裙装套筒在吊装过程中最大等效应力为82.2MPa。

图4六吊点吊装时裙装套筒模型吊装变形云图

由图4可以看出结构变形最大处位于导管上两个吊点的中间位置，最大变形值为9.07mm，符合变形要求。

（2）裙装套筒四吊点吊装分析：

图5四吊点吊装时的结构应力云图

从图5可以得出裙装套筒在采用四个吊点吊装时的最大等效应力为52.0MPa<213MPa，故当采用四个吊点吊装时结构强度满足要求。

图6 四吊点吊装时裙装套筒模型吊装变形云图

从图6可以看出四个吊点吊装时的最大变形发生在两个吊点的中间位置，其最大变形值为8.31mm，符合变形要求。

研究成果

经过分析可以得出，在使用六个吊点吊装时，裙装套筒模型的最大等效应力为82.2MPa，小于结构许用应力213MPa，满足强度要求，最大变形为9.07mm，符合变形要求；而当使用四个吊点吊装时，其最大等效应力52.0MPa，大于结构的许用应力，满足强度要求，最大变形为8.31mm，符合变形要求。因此，在该裙装套筒的吊装工作中，可以采用六个吊点进行吊装作业也可以采用四个吊点吊装。

研究心得

对于本次论文首先需要学习海上平台的相关知识，其次是要学会使用ANSYS软件对框架结构内力进行计算。在学习期间，对于ANSYS软件的学习给了我很大的感触。 

首先，相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程。其次，想要学好使用ANSYS需要对专业英语和海洋平台导管架结构有一定的基础。刚开始接触ANSYS时，不了解有限元、节点、形函数等的基本概念，会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿。即使已经了解了，还要反复回顾，以加深对有限元单元法及其基本概念的理解。学习的过程是充满烦恼和惊喜的，因为总是会碰到许多的新问题，需要较好的耐心去解决这些问题，这是在学习过程中遇到的最大的难题。

这是我目前为止写的第一篇论文，而在本次的论文写作学习过程中，老师在授课时非常细致、全面，将各种已经出现或可能产生的学术规范问题一一作了梳理，为我们即将面对毕业论文写作打下基础。而如果说开始的时候就不加以鉴别地寻找大量的材料，最终有很多没有用，或者说是低质量的文献，浪费了宝贵的时间。通过论文写作学习，可谓受益良多，我更加深切地体会到，写一篇优秀的论文绝非易事，要投入更多时间与精力做好研究工作。

浅海石油钻井平台的设计中，导管架平台是应用最为广泛的。导管架的建造采用分批预制，集中装配的方法。这一方法可以有效的节约模板，确保工程质量，降低造价和文明施工，也是装备制造业的发展方向。导管架的建造，通常是将预制的管材平放地面，焊接成侧片，再吊起两个侧片，在两侧片之间焊接上剩余管件，制成导管架。

对于本次论文首先需要学习海上平台的相关知识，其次是要学会使用ANSYS软件对框架结构内力进行计算。在学习期间，对于ANSYS软件的学习给了我很大的感触。 

首先，相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程。其次，想要学好使用ANSYS需要对专业英语和海洋平台导管架结构有一定的基础。刚开始接触ANSYS时，不了解有限元、节点、形函数等的基本概念，会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿。即使已经了解了，还要反复回顾，以加深对有限元单元法及其基本概念的理解。学习的过程是充满烦恼和惊喜的，因为总是会碰到许多的新问题，需要较好的耐心去解决这些问题，这是在学习过程中遇到的最大的难题。

这是我目前为止写的第一篇论文，而在本次的论文写作学习过程中，老师在授课时非常细致、全面，将各种已经出现或可能产生的学术规范问题一一作了梳理，为我们即将面对毕业论文写作打下基础。而如果说开始的时候就不加以鉴别地寻找大量的材料，最终有很多没有用，或者说是低质量的文献，浪费了宝贵的时间。通过论文写作学习，可谓受益良多，我更加深切地体会到，写一篇优秀的论文绝非易事，要投入更多时间与精力做好研究工作。

本课题选取导管架平台为研究对象，使用ANSYS软件对其进行吊装静力计算分析，内容具有一定的实用价值，文献综述充实完整，计划安排和进度设计切实可行、比较合理，课题工作量和难度适中，条理清晰，文字通顺，具备结题条件，同意结题。