2006年用户年会论文
海上平台抗震分析
[张效忠白若阳]
[北京理工大学理学院力学系，100081]
[ 摘要 ] 本文利用ANSYS软件的动力分析功能中的ANSYS/LS-DYNA进行渤海埕北采油平台的三维模型进行地震波作用下抗震分析，在分析后找到平台抗震的薄弱环节，在薄弱环节进行加固，在加固后再次进行了抗震分析，并且和加固前进行比较，得出结构的抗震能力，为海上平台的维护提供有意义的参考，并为以后的海上结构的抗震设计提供重要的参考。
[ 关键词]海上平台；ANSYS/LS-DYNA ；抗震分析
Analysis of Seismic Resistance of Offshore Platform
[Zhang Xiaozhong Bai Ruoyang ]
[Beijing Institute of Technology,100081]
[ Abstract ] This paper analyses the three-dimensional modle of offshore platform of Chengbei in Bohai on the apply force of seismic wave using ANSYS/LS-DYNA in the software of ANSYS. We find the weakness of the offshore platform after analysis, then we strengthen the weakness of the offshore platform. After that, we analyses the offshore platform again and get the results, which will be compare with the result of before. We draw a conclution about seismic performance of offshore platform. The conclusion will give the offshore platform some significative reference for it’s maintenance . The design of offshore structure will be given a effective method using the result of this paper.
[ Keyword ] offshore platform; ANSYS\LS-SYNA;seismic analysis;
1前言
2004年12月26日，印度洋发生里氏9.0级强烈地震并引发海啸，海啸是由里氏震级
6.5以上的海底地震所引起。这场突如其来的灾难给印尼、斯里兰卡、泰国、印度，马尔代
夫等国造成巨大的人员伤亡和财产损失。，使得其附近的海域的海上结构物所剩寥寥无几。
可见海上结构物的设计必须考虑地震的强大冲击。随着人类发现越来越多的海洋资源，人类现在在海上建立越来越多的海上结构物。这些海上结构物能否抵抗海底地震、海风以及海浪和海冰的威胁成为人类能否进行海上安全生产的关键。由于这种原因，本文首先构造了模拟海啸的地震波，以渤海埕北采油平台为抗震结构物，利用有限元动态分析软件
ANSYS/LS-DYNA分析了海上结构物在地震波的作用下的变形和破坏，找出了埕北采油平台的抗震的薄弱环节。在原来结构的基础上，本文对海洋平台的薄弱环节进行了加固改造，并进行了三维动态的抗震模拟。由两次得出的结果进行比较得出一些结论，这些结论对海上结构的维护和设计提供重要的参考。
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2海上平台抗震分析
这部分包括三部分内容，第一部分是根据埕北采油平台的施工图纸的基础上进行三维实体建模，再次是构造适合渤海的地震波并利用这个地震波对海上平台进行动态分析，找
出海上平台的薄弱环节。第二部分就是对薄弱部分进行加固，并对加固后的采油平台在地
震波的作用下进行动态模拟。第三部分是对两次分析的结果进行比较，得出结论。
2.1对原埕北采油平台进行抗震分析
这部分包括三部分内容：
一、根据埕北采油平台的施工图，在简化的基础上进行三维建模。
二、构造适合近海的地震波。
三、进行海上平台抗震分析，并且根据分析的结果找出采油平台抗震的薄弱环节。
2.1.1原埕北采油平台的三维建模
由于平台的施工图纸比较复杂，我们没有必要进行全真建模，在不影响地震分析的情况下，进行了一些简化，使得我们把工作的重点放在分析判断的过程，而不是放在不影响
分析结果的琐碎的建模中。建摸的关键是单元的选择，本文中的柱子和横梁采用BEAM161
号单元，甲板采用SHELL163号单元。各个单元的实常数如表一所示。本文建立的简化模
型如图一所示，建模的过程采用以下的命令流。
表一、单元实常数表
实常数编号
单元参数
单元类型
外径（m）内径(m)
1 BEAM161 1 0.978
2 BEAM161 0.5 0.48
厚度I(m) 厚度J(m) 厚度K(m) 厚度L(m)
3 SHELL163
0.1 0.1 0.1 0.1
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（图一）埕北采油平台三维实体简化模型
建模过程的命令流： FINISH /CLEAR /CWD,'E:\ansys'
/FILNAME,chengbei platfom,0 /TITLE,chengbei platform analysys /prep7 ！建立分析单元
ET,1,BEAM161 !梁和柱单元 ET,2,SHELL163 ！壳单元 !建立柱子的实常数 R,1 RMODIF,1,1,1,1,1,0.978,0.978 RMODIF,1,6,0,0 !建立横梁的实常数 R,2
RMODIF,2,1,1,0.5,0.5,0.48,0.48
RMODIF,2,6,0,0 !建立壳单元的实常数 R,3
RMODIF,3,1,5/6,,0.1,0.1,0.1,0.1 !建立材料常数（钢材A3） MP,DENS,1,7800 MP,EX,1,2E11 MP,NUXY,1,0.3 !建立节点 N,1,0,0,-14 N,2,2,0,-14 N,3,4,0,-14 N,4,6,0,-14 N,5,6,2,-14 N,6,4,2,-14 N,7,2,2,-14
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N,8,0,2,-14
NGEN,2,8,1,8,1,0,0,2,, NGEN,2,16,1,8,1,0,0,7,, NGEN,2,24,1,8,1,0,0,12,, NGEN,2,32,1,8,1,0,0,18,, NGEN,2,40,1,8,1,0,0,23.2,, !建立定位节点
N,100,-10,0,0
N,101,0,0,50
!建立各层横梁
TYPE,1
MAT,1
REAL,2
!第一层横梁
*DO,I,9,15,1
E,I,I+1,101
*ENDDO
E,16,9,101
E,15,10,101
E,14,11,101
!第二层横梁
*DO,I,17,23,1
E,I,I+1,101
*ENDDO
E,24,17,101
E,23,18,101
E,22,19,101
!第三层横梁
*DO,I,25,31,1
E,I,I+1,101
*ENDDO
E,32,25,101
E,31,26,101 E,30,27,101
!第四层横梁*DO,I,33,39,1 E,I,I+1,101
*ENDDO
E,40,33,101 E,39,34,101 E,38,35,101
!第五层横梁*DO,I,41,47,1 E,I,I+1,101
*ENDDO
E,48,41,101 E,47,42,101 E,46,43,101
!建立柱子单元TYPE,1 MAT,1 REAL,1
*DO,I,1,40,1 E,I,I+8,100
*ENDDO
!建立上层甲板TYPE,2 MAT,1 REAL,3
E,41,42,47,48 E,42,43,46,47 E,43,44,45,46 E,33,34,39,40 E,34,35,38,39 E,35,36,37,38 !/eof
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2.1.2构造适合模拟引起海啸的近海地震波
地震是一种常见的危害极大的自然现象，在临近地震中心地面先是上下跳动，然后开始水平晃动：在距震中较远处，两种振动都逐渐减弱，而且上下跳动不如水平晃动显著。这些地面的晃动是造成各种工程结构破坏的主要原因。地震波引起的水平晃动是造成结构破坏的主要原因，而且在近震源场的建筑物，首先是强烈的上下振动，各部分之间的结构连接被被震松，在后续的水平地面的晃动作用下造成更为严重的破坏后果。
根据地震的这种破坏原理，我们构造下面的地震波：
Ac1=sin(100*t)+sin(110*t)+sin(120*t) (1) Ac2=100*Ac1*sin(10*t)*(1-cos(2*t)) (2)
其中，Ac1 、 Ac2表示地震波加速度，Ac2是对Ac1的放大了倍数。t 为时间，的取值由下式表示： t= (I-1)*0.01,其中I 从1取到301。
根据公式（1）和（2）所构造的地震波波形如图二所示。
-400
-300-200-1000100200300400time
a c 2
time
（图二）本文构造的地震波波形 2.1.3进行海上平台抗震分析
LS-DYNA 程序采用显示中心差分法进行时间积分，从而可以进行工程结构的地震作用的时程分析。由于采用集中质量矩阵，运动方程组的求解是非耦合的，不需要集成总体矩阵，因此可以大大节省储存空间和求解机时。该程序还考虑系统阻尼的影响。但是显示中心差分法是由条件稳定的，LS-DYNA 程序采用变时间步长增量解法解决计算的收敛问题。
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每一时刻的步长应该由当前构形的最小的单元决定。本次计算应用ANSYS的前处理，先生成K文件，然后在用LS-DYNA进行求解。生成K文件的程序如下。接上面的建模程序：
2.1.
3.1生成K文件PINGTAI.K
!基底节点水平方向自由度耦合
CP,1,UX,1,2,3,4,5,6,7,8 !耦合基底水平自由度UX
CP,2,UY,1,2,3,4,5,6,7,8 !耦合基底水平自由度UY
！引入边界约束条件
NSEL,S,LOC,Z,-14.1,-13.9
!利用D命令来固结地基各节点的竖向自由度：
D,ALL,,0.0,,UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ,,
!为基底各点施加水平方向的地震波加速度
*DIM,TIME,ARRAY,301,1,1,,,
*DIM,ACC,ARRAY,301,1,1,,,
*DO,I,1,301,1
TIME(I,1,1)=(I-1)*0.01
ACC(I,1,1)=sin(100*((I-1)*0.01))+sin(110*((I-1)*0.01))+sin(120*((I-1)*0.01))
ACC(I,1,1)=ACC(i,1,1)*100*sin(10*((I-1)*0.01))*(1-cos(2*((I-1)*0.01)))
*enddo
!!!建立由所有基底节点组成的结构受载节点组元
CM,BASE,NODE
!施加加速度-时间历程
EDLOAD,ADD,AX,,BASE,TIME,ACC
ALLSEL,ALL
!设置计算及输出选项
EDDAMP,ALL,0.1 !定义阻尼
/SOL
TIME,5.0
EDOPT,ADD,BLANK,ANSYS
EDRST,300
EDHTIME,1
EDDUMP,1
!生成关键字文件
2006年用户年会论文EDWRITE,LSDYNA , PINGTAI,K
2.1.
3.2应用LS-DYNA求解器进行求解
把生成的K文件在LS-DYNA求解器里进行求解，求解的结果如图三～图六：
（图三）加固前海上平台在第45步时的变形图
（图四）加固前第41号节点的X方向的位移时间历程曲线
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（图五）加固前第41号节点的X方向加速度历程曲线
（图六）加固前第41号节点的等效应力时间历程曲线
分析结果：由以上的图形结果可以看出，此平台的中间（第三层横梁处）部位变形比较大，是比较薄弱的环节需要进行加固。
2006年用户年会论文2.2对薄弱环节进行加固，并在地震波的作用下进行抗震分析
2.2.1对薄弱环节加固
由上一节我们知道，平台抗震的薄弱环节在平台的中部，于是本文在平台横梁处加上支梁，并在底部加上一个固定甲板，固定后的图形如图六所示。（加固的过程命令流略）
（图七）平台加固后的模型
2.2.2加固后的平台在构造的地震波的作用下动态分析
加固后的动态分析和加固前一样，由于相互比较的需要，采用同样的构造的地震波。分析结果见图八～图十一。
（图八）加固后在第45步时的变形图的变形图
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（图九）加固后节点41的X方向位移时间历程曲线
（图十）加固后节点41的X方向加速度的时间历程曲线
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（图十一）加固后节点41的等效应力时间历程曲线
2.3加固前后分析结果的比较
（表二）加固前后海上平台的分析结果比较
在45步十的 最 大 变 形 （m ）
41号节点的最大
位 移 （m ）
41号节点的最 加 速 度 （m/S 2）
41号节点的最 等 效 应 力
（MP ） 加固前 0.023
4.9
625
190
加固后 0.016 3.9 450 95
性能提高 30% 20% 28% 50%
比较结果:
由表二可知，加固后海上平台的抗震性能有显著的提高，各项指标都有显著的提高，特别是等效应力，竟然提高了50％。
2006年用户年会论文3结论
由埕北采油平台的加固前后的分析结果，证明了加固的结构对抗震的性能有显著的提高，这就给我们对海上结构物的维护和设计提供了一条提高抗震能力的思路。对于已有的海上结构物，我们可以根据已有的结构物进行三维建模，用有限元程序进行分析，找出其抗震的薄弱环节，并且对其薄弱环节进行加固，并用有限元程序进行模拟。达到用最少的材料来最大限度的提高其抗震性能，即又节省材料又提高性能的目的。最后用实验来证明，这样可以避免盲目的实验，提高实验的效率，又节省了大量的资金。对于未存在的还在进行设计的海上结构物，我们可以更充分的利用有限元软件进行模拟，提出多种方案，并对各种方案的模拟结果进行比较，找出最优的抗震方案。
这种方法不仅适用于海上结构的抗震分析，还适用于海上结构抗风、抗冰和波浪的分析。不仅适用于海上结构物，也适用于陆地上的结构分析。
[参考文献]
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[2]王勖成，《有限单元法（第二版）》，北京：清华大学出版社，2003年
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[4]廖振鹏，《工程波动理论导论》，北京：科学出版社，2002年
[5]尚涛等，《工程计算可视化与MATLAB实现》，武汉：武汉大学出版社，2002年
[6]尚晓江等，《ANSYS\LS-DYNA动力分析方法与工程实例》，北京：中国水利水电出版社，2006年
[7]阎盛海，《建筑结构抗震分析》，北京：中国建材出版社，1999年