海洋石油平臺課程設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子 、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等工業及科學研究。功能強大、使用靈活。該軟件可在大多數計算機及操作系統（如 Windows、 UNIX、 Linux）中運行，從 PC 機到工作站直至巨型計算機 ， ANSYS 文件在其所有的產品系列和工作平臺上均兼容。它開發了第一個集成的計算流體動力學（ CFD）功能，也是第一個且是唯一一個開發了多物理場分析功能的軟件。 ANSYS 多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進行各式各樣的耦合計算，如：熱 — 結構耦合、磁 — 結構耦合以及電 — 磁 — 流體 — 熱耦合，在 PC 機上生成的模型同樣可運行于巨型機上，這樣就確保了 ANSYS 對多領域多變工程問題的求解。 ANSYS 的發展歷史 ANSYS 公司從建立之初到現在，已經歷將近 40 年的歷史。公司成立于 197年，總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡。近 40 年來， ANSYS 公司一直致力于設計分析軟件的開發，不斷吸取新的計算方法和計算技術，領導著世界有限元技術的發展，并為全球工業廣泛接受，其用戶遍及全世界各地。 ANSYS 軟件的第一個版本僅提供了熱分析及線性結構分析功能，像當時的大多數程序一樣，它只能是一個批處理程序，且只能在大型計算機上運行。 20 世紀 70 年代初， ANSYS 軟件中融入了新的技術以及用戶的要求，從而使程序發生了很大的變化，非線性、子結構以及更多的單元類型被加入到子程序。70 年代末，交互方式的 加入是該軟件最為顯著的變化，它大大地簡化了模型生成和結果評價。在進行分析之前，可用交互式圖形來驗證模型的幾何形狀、材料及邊界條件；在分析完成之后，計算結果的圖形顯示，立即可用于分析檢驗。 目前該軟件已發展到 版本，其功能更加強大，使用更加便利。ANSYS 分析模擬工具易于使用、支持多種工作平臺。同時該軟件提供了一個不斷改進的功能清單，包括：結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體動力學分析、設計優化、接觸分析、自適應網格劃分、大應變 /有限元轉動功能以及利用 ANSYS 參數化設計語言（ APDL）的擴展宏命令功能。 基本功能 ANSYS 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。軟件提供了 100 種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結構和材料。 分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分海洋石油平臺設計 8 析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力。 后處理模塊可將計算結果以彩色等 值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 啟動 ANSYS，進入主界面（如圖 11 所示）以后，程序停留在主程序界面。從主菜單可以進入各處理模塊： PRE7（通用前處理模塊）， SOLUTION（求解計算模塊）， POST 1（通用后處理模塊）， POST26（時間歷程后處理模塊）。 ANSYS 用戶手冊的全部內容都可以聯機查閱，可以通過 ANSYS 幫助系統查看所有的單元介紹、基本原理等信息。 圖 11 ANSYS 主界面 用戶的指令可以通過鼠標點擊菜單項選取和執行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經執行，該命令就會在 LOG 文件中列出，打開輸出窗口可以看到 LOG 文件的內容。如果軟件運行過程中出現問題，查看 .LOG 文件中的命令流及其錯誤提示，將有助于快速發現問題的根源。 LOG 文件的內容可以略作修改存到一個批處理文件中，在以后進行同樣工作時，由 ANSYS 自動讀入執行，這是 ANSYS 軟件的第二種命令輸入方式。這種命令方式在進行某些重復性較高的工作時，能有效地提高工作速度。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。 了解 ANSYS 的基本知識之后，下面就來介紹在 ANSYS 中進行結構有限元分析的一般流程 。一般地，一個完整的 ANSYS 結構分析過程包括下面一些基本操作和環節。 (1)前處理過程 海洋石油平臺設計 9 前處理是整個分析過程的開始階段，其目的是在于建立一個符合工程實際情況的結構有限元分析模型，為后繼的分析創建對象。雙擊實用菜單中的【 Preprocessor】，進入 ANSYS 的前處理模塊。這個模塊主要包含如下的幾個操作環節。 1）分析環境設置 進入 ANSYS 分析環境界面后，指定分析的工作名稱以及圖形顯示的標題，開始一個新的結構分析。 2）定義單元類型、實常數及材料模型 定義在分析過程中需要用到的單元類型，對于單元類型的選擇，一般要結合工程實際情況及 ANSYS 單元庫相應單元的屬性進行選擇，遵循所選擇的單元類型要能夠反映實際問題的特性的原則。單元類型定義完成后，需要設置相關的單元實常數（如：梁單元的橫截面面積、慣性矩，管單元的外徑、壁厚等），指定分析中所用到的材料模型以及相關的材料參數（如：彈性模量、泊松比、密度、屈服極限等）。 3）建立幾何模型及網格劃 分 建立幾何模型就是要建立一個與實際結構外形大致相同（程度由結構的簡化原則而定）的幾何圖形元素組合體。 ANSYS 程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下模式與自底向上模式。 自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱體結構。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數據集，從而得到一個實體模型。 ANSYS 程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、 相減、相交、分割、粘結和重桑。在創建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少大量的建模工作量。 ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成而和體、線與而的自動相交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除等操作。 自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。 ANSYS 程序提供使用便捷、高質量的對 CAD 模型進行網格劃分功能，包括四 種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網格劃分可將一個一維網格延伸成一個二維網格。映像網格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網格控制，生成映像網格。 ANSYS 程序的自由網格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。自適應網格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析計算、估計網格的離散誤差 ，直到誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數。 4）定義邊界條件及約束條件 在上述的有限元模型上，引入實際結構中的邊界條件，自由度之間的耦合關系以及其他的一些約束條件。 注意：定義邊界條件及約束條件也可以在求解模塊中設置。另外，在 ANSYS建模過程中，也可以直接由建立節點的方式直接建立單元模型。 海洋石油平臺設計 10 (2)求解過程 前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結果。點擊快捷工具區的【 SAVEDB】將前處理模塊生成的模型存盤退出【 Preprocessor】，點擊實用菜單項中的【 Solution】進入 分析求解模塊。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數據和載荷步選項，然后開始有限元求解。 1） 設定分析類型 ANSYS 軟件提供的分析類型如下： 結構靜力分析：用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響不顯著的問題。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。 結構動力學分析：結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 ANSYS 可進行的結構動力學分析類型包括 :瞬態動力學分析、模態分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 結構非線性分析：結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。 ANSYS 程序可求解靜態和瞬態非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 動力學分析： ANSYS 程序可以分析大型二維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析 復雜結構在空間中的運動特性，確定結構中山此產生的應力、應變和變形。 熱分析：程序可處理熱傳遞的二種基本類型 :傳導、對流和輻射。熱傳遞的二種類型均可進行穩態和瞬態、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱 — 結構耦合分析能力。 流體動力學分析： ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態或穩態。分析結果可以是每個節點的壓力和通過每個單元的流率，并且可以利用后處理功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用二維表而效應單元和熱 — 流管單元模擬結構的流體繞流，包括對流換熱效應。 在選定分析類型后，需要設置相關的參數，比如分析所用到的求解器類型、非線性選項和迭代次數設置、模態分析的模態提取方法和模態擴展數的等各種分析選項。 2）定義載荷信息 ANSYS 結構分析的載荷包括位移載荷、集中力（包括彎矩）、表面載荷、體積載荷、慣性力以及耦合場載荷（如熱應力）等?？梢詫⒔Y構分析的載荷施加到幾何模型上或者有限元模型上。 施加在幾何模型上的載荷是獨立于有限元網格的，當在劃分網格時，是不會影響到已近施加的載荷的。施加到有限元模型上的載荷網格修改時將會 失效，需要刪除先前的載荷并在新的網格上重新定義載荷。對于施加在幾何實體模型上的載荷， ANSYS 程序將自動將其轉換到有限元模型上進行求解。 3)求解計算 在施加了載荷并設置了相關的分析選項之后，即可調用求解程序開始求解。在求解過程中，可以通過屏幕窗口獲取計算過程的一些相關信息，諸如載荷步、收斂曲線等。 海洋石油平臺設計 11 (3)后處理過程 ANSYS 軟件的后處理過程包括兩個部分：通用后處理模塊 POST1 和時間歷程后處理模塊 POST26。通過友好的用戶界而，可以很容易獲得求解過程的計算結果并對其進行顯示。這些結果包括位移、 溫度、應力、應變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數據列表兩種。 1）通用后處理模塊 POST 1 單擊菜單項中的【 General Postproc】選項即可進入通用后處理模塊。此模塊能對前面的分析結果以圖形方式顯示和輸出，例如，計算結果 (如應力 )在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值 (如應力值 )。用不同的顏色代表不同的數值區 (如應力范圍 )，清晰地反映了計算結果的區域分布情況。 2）時間歷程響應后處理模塊 POST 26 點擊實用菜單項中的【 TimeHist Postprc】選項即可進入時間歷程響應后處理模塊。這個模塊用于檢查在一個時間段或一個子步歷程中的結果，如節點位移、應力或支座反力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看，繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結果。另外， POST26 還可以進行曲線的代數運算。 綜上所述，對 ANSYS 結構分析的基本過程進行了簡單的介紹，希望讀者能夠對 ANSYS 分析的基本過程有一個初步的認識。 海洋石油平臺設計 12 第二章 導管架平臺整體結構分析 導管架平臺簡介 本節以海洋石油導管架平臺為對象，采用 GUI 菜單操作和命令流相結合的方式，詳細介紹了 ANSYS 建立海洋平臺有限元模型的全過程，針對海洋平臺的各種環境載荷，采用相應的 ANSYS 分析類型分別進行計算，目的是希望通過具體實例，加者對 ANSYS 結構整體分析的理解，以及對復雜海洋結構物分析的方法。 本節包括如下的一些問題：平臺結構模型的建立，海洋平臺整體結構的靜力分析，海洋平臺的模態分析，波浪載荷作用下海洋平臺的瞬態動力分析 平臺整體模型建立 本節結合工程實例以導管架平臺為對象，按照結構特點分析、單元類型 選擇、材料參數設定、建立幾何模型、劃分有限元網格的順序，詳細介紹 ANSYS 建立海洋導管架平臺有限元模型的過程。建模過程中，采用 APDL 命令流和 GUI 菜單相結合的方式。 : 水深： 50m 風速： 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，抗壓強度 199