南海200m水深導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　南海200m水深導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 船舶與海洋

2、工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　目錄</b></

3、p><p><b>　　1. 前言1</b></p><p>　　1.1我國石油工業(yè)的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2我國石油產(chǎn)業(yè)的國際競爭力分析1</p><p>　　1.3我國石油企業(yè)與外國同類企業(yè)競爭力的比較2</p><p>　　1.4 我國石油依存度的未來發(fā)展趨勢3</p&

4、gt;<p>　　2. 導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)4</p><p>　　3. 環(huán)境條件和設(shè)計依據(jù)7</p><p><b>　　3.1甲板高程7</b></p><p><b>　　3.2環(huán)境條件7</b></p><p>　　3.2.1設(shè)計水深7</p><

5、;p><b>　　3.2.2潮位7</b></p><p><b>　　3.2.3波浪7</b></p><p><b>　　3.2.4風(fēng)7</b></p><p><b>　　3.2.5海冰7</b></p><p>　　3.3平臺設(shè)計依據(jù)

6、8</p><p>　　4. 風(fēng)荷載計算9</p><p>　　4.1平臺的環(huán)境載荷9</p><p>　　4.2風(fēng)載荷計算思路和過程10</p><p>　　5. 冰載荷計算12</p><p>　　5.1冰載荷選取12</p><p>　　5.2冰載荷計算12</p>

7、;<p>　　6. 波浪載荷計算13</p><p>　　6.1波浪載荷計算公式13</p><p>　　6.2波浪載荷計算方法13</p><p>　　7.平臺模型的建立19</p><p>　　7. 1結(jié)構(gòu)簡化19</p><p>　　7. 2邊界條件19</p><p

8、>　　7. 3計算程序19</p><p>　　7.4 MSC.Patran建模20</p><p>　　8.平臺結(jié)構(gòu)及受力詳圖21</p><p>　　8.1導(dǎo)管架圖21</p><p>　　8.2 橫向風(fēng)+冰+甲板載荷工況受力分析圖24</p><p>　　8.3 45°風(fēng)+冰+甲板載荷

9、工況受力分析圖27</p><p>　　8.4 橫向風(fēng)+浪+甲板載荷工況受力分析圖30</p><p>　　8.5 45°風(fēng)+浪+甲板載荷受力分析圖33</p><p>　　9.設(shè)計所選場地調(diào)查38</p><p>　　9.1一般要求38</p><p>　　9.2海床調(diào)查38</p>

10、;<p>　　9.3 地質(zhì)調(diào)查38</p><p>　　9.4 土質(zhì)勘察和試驗38</p><p>　　10.畢業(yè)設(shè)計總結(jié)40</p><p>　　10.1設(shè)計要求及目標(biāo)40</p><p>　　10.2自身不足之處總結(jié)40</p><p>　　10.3設(shè)計缺陷總結(jié)41</p>

11、<p>　　10.4設(shè)計感言41</p><p><b>　　[參考文獻]42</b></p><p>　　外文翻譯錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計以中國南海海域的自然環(huán)境條件為依據(jù)，運用AutoCAD軟件繪制草圖，然后使用

12、MSC.Patran有限元軟件，建立有限元模型。先計算海風(fēng)、和波浪以及冰等環(huán)境載荷，然后分析各種工況下，平臺結(jié)構(gòu)的安全性，實用性和經(jīng)濟性，對結(jié)構(gòu)進行了靜力分析、動力分析和位移分析計算，結(jié)合規(guī)范，校核強度，得到結(jié)構(gòu)合理的最后設(shè)計方案。 導(dǎo)管架式鋼材海洋平臺目前是世界上近海海洋石油開發(fā)應(yīng)用最為廣泛的一類海洋平臺結(jié)構(gòu)型式。由于導(dǎo)管架海洋平臺長期置于在惡劣的海洋環(huán)境中工作,不管是在正常的海況還是在極限的海況，即便強度足夠，在風(fēng)、浪、流

13、等的環(huán)境載荷作用下，都有可能使平臺產(chǎn)生過大的振動響應(yīng)。而過大的振動將會危害到人員身心健康、威脅到結(jié)構(gòu)安全、以及降低平臺設(shè)備的精確性和可靠性、降低平臺的適應(yīng)性和在各種情況下生存性能，因此有效地優(yōu)化平臺模型、檢測平臺的動力響應(yīng)就顯得尤為重要。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】：導(dǎo)管架平臺； 結(jié)構(gòu)； 載荷； 強度；分析</p><p>　　[Abstract] The design of the

14、natural conditions of South China Sea for the design basis, Using AutoCAD drawing application ,Then use MSC.Patran finite element software, finite element model to establish platform. Considering the wind, waves and ice

15、loads on the basis of the environment, In various cases, combined with safety, operability and economy, its structure of static analysis, practicability analysis and displacement analysis and calculation, which are struc

16、tured final design.</p><p>　　Steel jacket offshore platforms are widely employed in offshore petroleum activities throughout the oceans of the world at the present time. Offshore platforms are very complex a

17、nd the external wave force on the platform is uncertain. Thus, these platforms are prone to excessive wave-induced oscillations under both operating and extreme conditions. It results in injury of human health, structura

18、l fatigue and failure, reducing the accuracy and reliability of the equipments on the platforms, lower</p><p>　　[Key words]: platform jacket; structure; static; strength; analysis</p><p><b&g

19、t;　　1. 前言</b></p><p>　　近20年來，海洋開發(fā)領(lǐng)域由近海向遠海、由淺海向深海不斷推進，新的可開發(fā)資源不斷發(fā)現(xiàn)，這歸根結(jié)底都是海洋工程技術(shù)迅猛發(fā)展的結(jié)果。目前，在海洋工程領(lǐng)域，已形成了以海洋資源勘探開發(fā)技術(shù)、海底深潛技術(shù)、海水淡化技術(shù)等海洋工程技術(shù)為主的市場導(dǎo)向型海洋技術(shù)體系。海洋平臺是石油開采業(yè)向水下進軍的一個產(chǎn)物。</p><p>　　1.1我國石油工業(yè)

20、的現(xiàn)狀</p><p>　　我國是世界上石油資源較為貧乏的國家，截至2000年低，我國探明的石油剩余儲量約為33億噸(BPS Review of World Energy June 2001)，僅占世界石油剩余探明總儲量的2.3%。世界石油資源主要分布在中東、中美洲(墨西哥、委內(nèi)瑞拉)、俄羅斯、北非和西非地區(qū)。</p><p>　　我國原油生產(chǎn)能力約為1.70億噸左右，約占世界總原油生產(chǎn)能

21、力的5%。我國原油生產(chǎn)遠遠不能滿足國內(nèi)需求，每年需進口原油4000一7000萬噸。我國原油加工能力約為2億噸，可生產(chǎn)各種石油產(chǎn)品。自1992年以來，我國每年出口石油產(chǎn)品約300一600萬噸，進口石油產(chǎn)品約1000一3000萬噸，每年凈進口石油產(chǎn)品約1000一2500萬噸。</p><p>　　我國目前主要生產(chǎn)油區(qū)有25個(大慶、吉林、遼河、華北、大港、冀東、新疆、塔里木、吐哈、玉門、青海、長慶、四川、勝利、中原、

22、河南、江漢、江蘇、滇桂黔、新星、天津、深圳、湛江、延長、上海，據(jù)中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會資料)，其中，大慶是我國最大生產(chǎn)油區(qū)，生產(chǎn)能力約為5300萬噸，2000年，生產(chǎn)石油5300萬噸。勝利是我國第二大生產(chǎn)油區(qū)，生產(chǎn)能力約為2660萬噸，2000年生產(chǎn)石油2676萬噸。遼河是我國第三大生產(chǎn)油區(qū)，生產(chǎn)能力1400萬噸，2000年生產(chǎn)石油1401萬噸。與國外相比，我國油田總體生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率低，如美國原油采收率可達50%，而我國全國平均僅為

23、29%(不包括三次采油)。我國石油開采業(yè)基本特點是，主力油田進入開發(fā)中后期，油田綜合含水率上升，成本增高，效益下降，增產(chǎn)難度大。</p><p>　　我國石油下游煉化部門的裝備和技術(shù)在過去20中得到較大程度的更新和發(fā)展，如催化裂化、催化重整、加氫裂化、加氫精制等，但與世界發(fā)達國家和新興國家及地區(qū)相比，我國的煉化程序和技術(shù)總體上還處于落后水平，集中表現(xiàn)在高檔次產(chǎn)品比例小、產(chǎn)品質(zhì)量低、產(chǎn)品回收率低、能源耗費高等。&l

24、t;/p><p>　　我國石油工業(yè)目前有三大石油集團公司：中國石油天然氣集團公司、中國石化集團公司和中國海洋石油集團公司。2001年，石油集團銷售收入3401億元，利潤總額530億元；石化集團銷售收入3600億元，利潤總額128.1億元；中海油銷售收入303.8億元，利潤總額96億元。與國際石油大公司相比，我國石油公司在運營的主要指標(biāo)上均有一定差距。</p><p>　　1.2我國石油產(chǎn)業(yè)的國

25、際競爭力分析</p><p>　　所謂國際競爭力是指，在自由的市場條件下，能夠在國際市場上提供更好的產(chǎn)品、更好的服務(wù)同時又能獲取利潤、提高本國人民生活水平的能力。為了能夠?qū)ξ覈彤a(chǎn)業(yè)的國際競爭力作出定量分析和評估，以下我們試圖利用國內(nèi)外都較為通用的兩個重要參數(shù)——出口績效相對指數(shù)REP(Index of Relative Export Performance)和貿(mào)易專業(yè)化系數(shù)TSC(Trade Speciali

26、zation Coefficient)來加以說明和比較。</p><p>　　REP=某產(chǎn)品出口占國際市場份額／全部出口占世界出口的份額。公式為：　REP=(Xij／∑iXij)/ (∑jXij／∑i∑jXij)。</p><p>　　式中，Xij為i國j產(chǎn)品的出口額；∑iXij為j產(chǎn)品的世界出口總額；∑jXij為i國的總出口額；∑i∑jXij為世界總出口額。在自由、開放的市場經(jīng)濟環(huán)境下，

27、REP主要用于在國際市場上對不同國家的同一產(chǎn)業(yè)進行國際競爭力的比較。REP>1時，表明該產(chǎn)品(產(chǎn)業(yè))有國際競爭力；REP<1時，表明該產(chǎn)品(產(chǎn)業(yè))缺乏國際競爭力。某國的某種產(chǎn)品REP值越高，則其國際競爭力就越強。而TSC，也稱貿(mào)易競爭力指數(shù)或競爭力指數(shù)，等于(出口一進口)/(出口＋進口)。公式為：TSC=(Ei—Ii)/(Ei+Ii)。</p><p>　　式中，Ei為產(chǎn)品i的出口額，Ii為產(chǎn)品i的進

28、口額。TSC>0，表示該國在該類產(chǎn)品的生產(chǎn)效率高于國際水平，具有較強的出口競爭力；TSC<0時，表示該國在該類產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低于國際水平，出口競爭力較弱；TSC=0則說明生產(chǎn)效率與國際水平相當(dāng)，進出口屬于品種、品牌交換。在完全自由、開放的市場經(jīng)濟環(huán)境下，TSC系數(shù)可用于說明一國某產(chǎn)業(yè)的國際競爭力狀況。即：TSC>0時，表明該產(chǎn)品(產(chǎn)業(yè))有國際競爭力；TSC<0時，表明該產(chǎn)品(產(chǎn)業(yè))缺乏國際競爭力。TSC值越大(不

29、超過1)，表示該產(chǎn)品(產(chǎn)業(yè))國際競爭力越強。</p><p>　　有了上面介紹的兩個重要參數(shù)，我們就能夠據(jù)此對我國石油在經(jīng)過換算后有一定出入和誤差，故這里計算的REP參數(shù)不完全代表各主要產(chǎn)油國競爭力的絕對狀況，而只反應(yīng)中國與這些國家的相對狀況。</p><p>　　在25個世界最主要石油生產(chǎn)國中，我國的出口績效相對指數(shù)REP最低，僅為0.24，不僅低于世界主要的石油生產(chǎn)國如沙特、俄羅斯、挪

30、威、美國、墨西哥、委內(nèi)瑞拉、英國、尼日利亞、利比亞等，也低于石油世界一般的石油生產(chǎn)國如巴西、埃及、哈薩克斯坦、阿爾及利亞、馬來西亞、印度尼西亞、澳大利亞、印度等，表明我國石油產(chǎn)業(yè)的國際競爭力狀況較為落后。</p><p>　　1.3我國石油企業(yè)與外國同類企業(yè)競爭力的比較</p><p>　　以上是我們利用REP指數(shù)和TSC系數(shù)對我國石油產(chǎn)業(yè)的總體競爭力狀況所作的分析、比較結(jié)果。為了使分析更

31、為全面、更具客觀性，以下我們試圖將我國主要石油企業(yè)的競爭力狀況與外國石油企業(yè)的競爭力狀況作一分析和對比，以對我國石油產(chǎn)業(yè)的競爭力狀況有一個進一步的了解和認識，同時也為檢驗以上結(jié)論。</p><p>　　對于企業(yè)競爭力的評判標(biāo)準，目前學(xué)術(shù)界通常根據(jù)其產(chǎn)品競爭力、成本競爭力和潛在競爭力三者之和進行判斷。產(chǎn)品競爭力包括產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)銷率、市場占有率、產(chǎn)品價格、工業(yè)增加值率、噸產(chǎn)品收入等；成本競爭力包括綜合能耗、開工率、銷

32、售利潤率、凈資產(chǎn)收益率、流動資產(chǎn)周轉(zhuǎn)次數(shù)、人工成本比率等；而潛在競爭力則包括企業(yè)規(guī)模、企業(yè)集中度、勞動生產(chǎn)率、資產(chǎn)凈流量、資產(chǎn)負債率、固定資產(chǎn)產(chǎn)出率和銷售收入等。為節(jié)省篇幅，抓住重點，本文著重選取一些主要參考指標(biāo)進行分析、對比。</p><p>　　企業(yè)規(guī)模：2000年，美國有煉油廠158個，總加工能力為82560萬噸，單個煉油廠平均年加工能力為522萬噸，墨西哥有煉油廠6個，單個平均年加工能力1270萬噸；巴西

33、有煉油廠3，單個平均年加工能力685萬噸；荷蘭有煉油廠6個，單個平均年加工能力990萬噸；德國有煉油廠17個，單個平均年加工能力669萬噸；俄羅斯有煉油廠43個，單個平均年加工能力775萬噸；韓國有煉油廠6個，單個平均年加工能力2116萬噸，伊朗有煉油廠9個，單個平均年加工能力818萬噸。而2000年，我國共有煉油廠95座，煉油企業(yè)平均加工能力僅為228萬噸／年，見表3，不到世界平均水平535萬噸的一半。(我國煉油廠加工能力絕大多數(shù)在1

34、00—500萬噸／年之間，干萬噸級的煉廠只有3個。中石油和中石化兩大集團下屬的67家煉油廠平均加工能力僅為334萬噸。</p><p>　　1.4 我國石油依存度的未來發(fā)展趨勢 </p><p>　　我國石油進口依存度的未來發(fā)展趨勢，一方面要看我國未來的石油消費趨向，另一方面則取決于我國石油未來的生產(chǎn)能力。通過上面的分析可以看到，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國石油需求的持續(xù)增長已成定局。從石油供給方

35、面看，與持續(xù)膨脹的石油需求相比，石油生產(chǎn)的增長乏力早已是一個不爭的事實。能源機構(gòu)的預(yù)測顯示，2010年中國石油消費總量可能在3.5億噸左右，國內(nèi)產(chǎn)量1.8億噸，有50%需要從國外進口；2020年，中國最低石油需求估計為4.5億噸，國內(nèi)產(chǎn)量比較有把握的是1.8億噸，需要進口2.7億噸，對外依存度為60%；如果2030年至2040經(jīng)濟持續(xù)增長的話，中國原油產(chǎn)量大概能剩下1億噸，需要進口5億噸之多，那意味著對外依存度將達到87%。 　　總之

36、，我國已進入分享國際石油資源的世界級石油進口大國行列。隨著石油進口依存度的不斷提高，面臨的國際風(fēng)險將逐漸加大。我們必須正視現(xiàn)實，加緊我國石油儲備的建設(shè)，以應(yīng)對國際石油市場的風(fēng)云變幻與油價的劇烈波動，保證國民經(jīng)濟的正常運轉(zhuǎn)與可持續(xù)發(fā)展。2. 導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)</p><p>　　本課題結(jié)合—南海200m水深導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于深水導(dǎo)管架平臺的研究，目的是通過MSC軟件、AutoCAD和相關(guān)規(guī)范的學(xué)習(xí)，完成

37、平臺載荷計算以及相關(guān)數(shù)據(jù)整理；完成Patran中建立正確的模型；利用Nastran計算平臺應(yīng)力及位移，調(diào)整相關(guān)構(gòu)件尺寸，得出符合強度的尺寸。能鍛煉個人運用軟件建模、分析，整理信息，并利用規(guī)范約束，來鍛煉導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。</p><p><b>　　詳細步驟如下：</b></p><p>　　學(xué)習(xí)MSC.Patran有限元軟件在平臺結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用</p&g

38、t;<p>　　平臺選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定</p><p>　　環(huán)境載荷計算及各工況載荷的組合</p><p>　　用有限元軟件MSC.Patran建立平臺有限元模型</p><p>　　分別對平臺進行不同工況載荷分析比較</p><p>　　總結(jié)、分析，得出設(shè)計結(jié)果</p><p>　　平臺設(shè)計尺

39、寸選取 </p><p>　　此導(dǎo)管架采用四樁腿導(dǎo)管架式平臺，包括導(dǎo)管架、樁基。平臺的工作自然環(huán)境為南海。結(jié)合實際，查找規(guī)范，確定為200米水深（水面至泥面距離）。主體平臺設(shè)計為四邊長度都為19.7m.各層之間的高度按規(guī)范確定，下一層的水平導(dǎo)管長度增加值由相鄰兩層之間的高度與下一層的兩邊增加值按10:1的比例確定，增加量為2△。各層之間采用K型斜撐，水平橫撐采用兩個K型支撐組合。整體Z軸導(dǎo)管架采用外徑2600m

40、m，內(nèi)徑2500mm的圓柱體. 水平平臺、橫撐和斜撐都采用外徑750mm，內(nèi)徑670mm的圓柱體，樁腿高度為7倍導(dǎo)管架直徑h=18.2m米.外徑為2300mm，內(nèi)徑為2200mm的圓柱體。</p><p>　　圖2.1 第一層水平導(dǎo)管架連接形式和尺寸</p><p>　　圖2.2 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖2.3 水平導(dǎo)管相鄰兩層寬度確定方法<

41、/p><p>　　圖2.4 樁腿示意圖3. 環(huán)境條件和設(shè)計依據(jù)</p><p><b>　　3.1甲板高程 </b></p><p>　　底甲板下緣高程公式: (m) (3.1)</p><p>　　其中: 一設(shè)計高潮位;</p><p>&

42、lt;b>　　H一設(shè)計波高; </b></p><p>　　△一底甲板下緣與波峰之間的間隙，至少1. 5m。</p><p>　　由公式3. 1算得=8.5m</p><p>　　所以平臺在自存情況下取離水平面距離為8.5m。</p><p><b>　　3.2環(huán)境條件</b></p>&

43、lt;p>　　200m水深導(dǎo)管架平臺的工作環(huán)境是在南海，所以選擇的環(huán)境載荷應(yīng)該是南海的自然環(huán)境下之情況。</p><p>　　3.2.1設(shè)計水深 </p><p>　　設(shè)計水深 200m</p><p><b>　　3.2.2潮位</b></p><p>　　校核高水位（5

44、0年重現(xiàn)期） 3.08m</p><p>　　設(shè)計高水位 1.48m</p><p>　　平均海平面 0.00m</p><p>　　設(shè)計低水位 -0.69m</p><p>　　校核低水位 -2.32

45、m</p><p><b>　　3.2.3波浪</b></p><p>　　自存工況 100年一遇</p><p>　　最大波高 H=6m</p><p>　　最大波浪周期 T=8.65s</p>&l

46、t;p><b>　　3.2.4風(fēng)</b></p><p><b>　　設(shè)計風(fēng)速</b></p><p>　　工況設(shè)計風(fēng)速下 36.0m/s</p><p>　　自存狀態(tài)設(shè)計風(fēng)速下 51.5m/s</p><p><b>　　3.2.5海

47、冰</b></p><p>　　設(shè)計冰厚（50年一遇） 0.8m</p><p>　　抗壓強度 1717kPa</p><p><b>　　3.3平臺設(shè)計依據(jù)</b></p><p>　　單一應(yīng)力分量，以及適當(dāng)時這類應(yīng)力的直接合成，均不應(yīng)超過由下列公式求

48、得的許用應(yīng)力值:</p><p>　　MPa (3.2)</p><p>　　式中[σ]——許用應(yīng)力，MPa ;</p><p>　　σs—— 規(guī)定的最低屈服點或屈服強度，MPa ;</p><p><b>　　S——安全系數(shù)；</b></p>&

49、lt;p>　　對軸向拉應(yīng)力及彎曲應(yīng)力 S=1.67； MPa (3.3)</p><p>　　材料的屈服極限 σs =240MPa；</p><p>　　所以平臺的彎曲和軸向許可應(yīng)力[σ]=240×0.6=144MPa；</p><p><b>　　計算工況</b></p><

50、;p>　　考慮平臺最危險情況，自存情況下平臺具有最危險工況，我們只要計算自存狀態(tài)平臺的強度軸向和彎曲應(yīng)力值144 MPa即可。</p><p>　　平臺在自存狀態(tài)下受到風(fēng)冰載荷作用：</p><p>　　工況一：風(fēng)+冰+甲板載荷,力的作用方向: 0°，90°</p><p>　　工況二：風(fēng)+冰+甲板載荷,力的作用方向:45°<

51、;/p><p>　　平臺在自存狀態(tài)下受到風(fēng)浪流作用：</p><p>　　工況三：風(fēng)+浪+甲板載荷，力的作用方向: 0°，90°</p><p>　　工況四：風(fēng)+浪+甲板載荷，作用方向:45°4. 風(fēng)荷載計算</p><p>　　4.1平臺的環(huán)境載荷</p><p>　　平臺在工作情況下：36

52、.0m/s</p><p>　　平臺在自存情況下：51.5m/s</p><p>　　作用在平臺上的風(fēng)載荷，應(yīng)按下式計算：</p><p>　　N (4.1)</p><p>　　式中： K——風(fēng)荷載形狀系數(shù)。梁及建筑物側(cè)壁取1.5,對圓柱體側(cè)壁取0.5，對平臺總投影面積取1.

53、0；</p><p>　　KZ——海上風(fēng)壓高度變化系數(shù)。表中值可用內(nèi)插法確定；</p><p>　　——基本風(fēng)壓，Pa；其中，結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)壓為： MPa (4.2) </p><p>　　——標(biāo)準高度為海面上10m;</p><p>

54、;　　=0.613 (4.3)</p><p><b>　　—風(fēng)壓的高度系數(shù)；</b></p><p><b>　　—構(gòu)件的形狀系數(shù)。</b></p><p>　　，取值見表1，其中h（m）為構(gòu)件距海平面的高度。</p><p>

55、<b>　　表4.1 取值</b></p><p><b>　　表4.2 取值</b></p><p>　　由表可知：高度系數(shù)取1，形狀系數(shù)取0.5</p><p>　　MPa (4.4)</p><p>　　Pa式中：α——

56、風(fēng)壓系數(shù)，取0.613，；</p><p>　　——時距為t分鐘的設(shè)計風(fēng)速，m/s；</p><p>　　A——受壓面積，即垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積，。</p><p>　　表4.3 海上風(fēng)壓高度變化系數(shù) </p><p>　　4.2風(fēng)載荷計算思路和過程</p><p>　　表4

57、.4 風(fēng)速為51.5m/s自存狀態(tài)下45°方向風(fēng)載荷計算</p><p>　　風(fēng)速：51.5m/s 基本風(fēng)壓：1626 Pa</p><p>　　表4.5 風(fēng)速為36m/s工作狀態(tài)下45°方向風(fēng)載荷計算</p><p>　　風(fēng)速：36m/s 基本風(fēng)壓：794Pa</p><p>　　表4.6 風(fēng)速為5

58、1.5m/s自存狀態(tài)下0°，90°（橫向）風(fēng)載荷計算</p><p>　　風(fēng)速：51.5m/s 基本風(fēng)壓：1626 Pa</p><p>　　表4.7 風(fēng)速為36m/s自存狀態(tài)下0°，90°（橫向）風(fēng)載荷計算</p><p>　　風(fēng)速：36m/s 基本風(fēng)壓：794Pa</p><p>

59、　　故風(fēng)速為51.5m/s自存狀態(tài)下45°方向風(fēng)載荷有最大風(fēng)載荷：122174N，位置：4.57m,</p><p>　　風(fēng)速為36m/s自存狀態(tài)下0°，90°（橫向）有最大風(fēng)載荷：84218N，位置：4.07m。</p><p><b>　　5. 冰載荷計算</b></p><p><b>　　5.1冰

60、載荷選取</b></p><p>　　結(jié)冰海域內(nèi)，在風(fēng)和流作用下，大面積冰原擠壓垂直孤立樁柱所產(chǎn)生的冰載荷可按下式計算：</p><p>　　KN (5.1)</p><p>　　式中：m——樁柱形狀系數(shù)，對圓截面柱采用0.9；</p><p>　　K1——局

61、部擠壓系數(shù)；</p><p>　　K2——樁柱與冰層的接觸系數(shù)；</p><p>　　b——樁柱寬度（或直徑），m；</p><p>　　h——冰層計算厚度，m,應(yīng)按國家主管部門提供的實測資料取值。</p><p><b>　　計算結(jié)果</b></p><p>　　根據(jù)CCS規(guī)范擠壓系數(shù)

62、 K1=2.5；</p><p>　　接觸系數(shù) K2=0.45；</p><p>　　由環(huán)境條件 Re＝1717kPa；</p><p>　　由設(shè)計資料 b=2.6m h=0.8m;</p&

63、gt;<p><b>　　5.2冰載荷計算</b></p><p><b>　　則冰載荷為：</b></p><p>　　=0.9×2.5×0.45×1717×2.6×0.8=3616.002KN</p><p>　　因為冰的厚度為0.8米，所以冰的作用點為0

64、.4米。選取模型的最近節(jié)點加載，即加載點為水面。</p><p><b>　　6. 波浪載荷計算</b></p><p>　　6.1波浪載荷計算公式</p><p>　　對小尺度圓形構(gòu)件，垂直于其軸線方向單位長度上的波浪力f, 當(dāng)D/L≦0.2（D為圓形構(gòu)件直徑，m；L為設(shè)計波長，m）時，可按下列公式計算：</p><p&g

65、t;　　N (6.1)</p><p>　　式中：ρ——海水密度，kg/m3 ；</p><p>　　——垂直于構(gòu)件軸線的阻力系數(shù)。必要時，應(yīng)盡量由試驗確定。在實驗資料不足時，對圓形構(gòu)件可取=0.6~1.0；</p><p>　　——慣性力系數(shù)，應(yīng)盡量由試驗確定，在實驗資料不足時，對圓形構(gòu)件可取2.0；</p><

66、;p>　　——水質(zhì)點相對于構(gòu)件的垂直于構(gòu)件軸線的速度分量，m/s, 為其絕對值，當(dāng)海流和波浪聯(lián)合對平臺作用時，為水質(zhì)點的波浪速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分矢量；</p><p>　　——水質(zhì)點相對于構(gòu)件的垂直于構(gòu)件軸線的加速度分量，m/s2。</p><p>　　根據(jù)線性波理論得： </p><p><b>　　(6.2)</

67、b></p><p><b>　　則速度： </b></p><p><b>　　所以： </b></p><p>　　L==116.88m k=2π/L=0.053 w=2π/T=0.726</p><p>　　6.2波浪載荷計算方法</p><p>

68、;　　表6.1 波浪力計算</p><p>　　所以拖曳力距離泥面8.81m，慣性力距離泥面18.2m，當(dāng)L/D≥8時不需要考慮（L為樁腿之間的距離，D為樁腿直徑）。</p><p>　　根據(jù)力矩的計算方法可以得到每根樁腿所受的等效作用力為227562N，即每根Z軸導(dǎo)管架所受的波浪力為227562N，等效作用位置為距離海底191.19米處。</p><p><

69、b>　　7.平臺模型的建立</b></p><p><b>　　7. 1結(jié)構(gòu)簡化</b></p><p><b>　　平臺甲板設(shè)備載荷</b></p><p>　　甲板載荷總共是400噸，作用于上層甲板上。平臺通過自動輸入Z軸方向重力加速度（9.8）有MSC軟件直接生成。</p><p

70、>　　平臺由甲板、導(dǎo)管架及樁基組成，甲板是板梁結(jié)構(gòu)，甲板上的設(shè)備重量等效為4個100t載荷分布加在甲板節(jié)點上。為了方便建模，由剛度相等原理，將樁腿的壁厚等效到外層的導(dǎo)管架上。</p><p>　　對于管單元的慣性矩的計算:</p><p><b>　　(7.1)</b></p><p>　　式中:D一管的外徑;</p>&l

71、t;p><b>　　d一管的內(nèi)徑。</b></p><p><b>　　由剛度相等，可得:</b></p><p><b>　　(7.2)</b></p><p>　　設(shè)等效后的單元的外徑D、內(nèi)徑d;導(dǎo)管架的外徑D1、內(nèi)徑d1;樁腿的外徑</p><p>　　D2、內(nèi)徑d

72、2,取D= D1 。由得出：</p><p><b>　　(7.3)</b></p><p>　　解得： d=2424mm</p><p>　　將數(shù)據(jù)代入方程可得:等效后導(dǎo)管架的厚度88mm。即等效后導(dǎo)管架的尺寸Φ 2600mm×88mm。 </p><p><b>　　7. 2邊界條件</

73、b></p><p>　　平臺以樁為基礎(chǔ)，導(dǎo)管架下部的邊界條件考慮樁與土之間的相互作用。為簡化計算，可將樁的下部看作固定端(取7倍樁徑)，本設(shè)計取泥面以下18.2m(7倍的樁徑，符合規(guī)范中的6~8倍樁徑的要求)，無需考慮群樁效應(yīng)。</p><p><b>　　7. 3計算程序</b></p><p>　　平臺結(jié)構(gòu)計算分析采用國際通用的結(jié)構(gòu)

74、有限元軟件Patran，此處使用的是Patran2001。</p><p>　　7.4 MSC.Ptran建模 </p><p>　　建模按照在CAD里畫出草圖的主尺度，計算好每個位置的坐標(biāo)點。通過MSC.patran軟件進行建模，先選取三維坐標(biāo)XYZ，在patran上輸入各點的坐標(biāo)，用curve連成線。再用命令mesh seed布置種子，然后mesh確定節(jié)點位置。接著是定義材料的屬性，確

75、定鋼材的彈性模量，泊松系數(shù)，鋼材密度，后定義每個構(gòu)件的直徑和厚度，次做完都要刪除重復(fù)節(jié)點和重復(fù)單元，最后在導(dǎo)管架四根樁腿上加固定約束，然后加Force：冰、波浪、橫向風(fēng)、45度風(fēng)以及加載載荷。接下去設(shè)計工況，然后計算分析，出圖，取圖分析數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范要求。</p><p>　　8.平臺結(jié)構(gòu)及受力詳圖</p><p><b>　　8.1導(dǎo)管架圖</b></p&g

76、t;<p>　　圖8.1 主體平臺</p><p>　　圖8.2 第一層與第二層之間壓載、0°，90°風(fēng)、冰、波浪力加載圖</p><p>　　圖8.3 加載后，加約束條件后的整體受力圖</p><p>　　圖 8.4 第一層平臺結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　圖8.5 導(dǎo)管圖&l

77、t;/b></p><p>　　圖8.6 樁腿圖</p><p>　　圖8.7 斜撐與水平撐結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　8.2 橫向風(fēng)+冰+甲板載荷工況受力分析圖</p><p><b>　　第一種工況下：</b></p><p>　　圖8.8 橫向風(fēng)+冰+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力&

78、lt;/p><p>　　圖8.9 橫向風(fēng)+冰+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力</p><p>　　圖8.10 橫向風(fēng)+冰+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)位移</p><p>　　圖8.11 橫向風(fēng)+冰+甲板載荷，總體組合應(yīng)力1</p><p>　　圖8.12 橫向風(fēng)+冰+甲板載荷，總體組合應(yīng)力2</p><p>　　8.3 4

79、5°風(fēng)+冰+甲板載荷工況受力分析圖</p><p><b>　　第二中工況下：</b></p><p>　　圖8.13 45°風(fēng)+冰+甲板載荷，水下的水平撐和內(nèi)撐組合應(yīng)力圖</p><p>　　圖8.14 45°風(fēng)+冰+甲板載荷，最后兩層之間斜撐與水平撐組合應(yīng)力圖</p><p>　　

80、圖8.15 45°風(fēng)+冰+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力</p><p>　　圖8.16 45°風(fēng)+冰+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力</p><p>　　圖8.17 45°風(fēng)+冰+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)位移</p><p>　　圖8.18 45°風(fēng)+冰+甲板載荷，總體組合應(yīng)力1</p><p>　　圖8.

81、19 45°風(fēng)+冰+甲板載荷，總體組合應(yīng)力2</p><p>　　8.4 橫向風(fēng)+浪+甲板載荷工況受力分析圖</p><p><b>　　第三種工況：</b></p><p>　　圖8.20 橫向風(fēng)+浪+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力</p><p>　　圖8.21 橫向風(fēng)+浪+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力

82、</p><p>　　圖8.22 橫向風(fēng)+浪+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)位移</p><p>　　圖8.23 橫向風(fēng)+浪+甲板載荷，總體組合應(yīng)力1</p><p>　　圖8.24 橫向風(fēng)+浪+甲板載荷，總體組合應(yīng)力2</p><p>　　8.5 45°風(fēng)+浪+甲板載荷受力分析圖</p><p><

83、;b>　　第四種工況下：</b></p><p>　　圖8.25 45°風(fēng)+浪+甲板載荷，水下的水平撐和內(nèi)撐組合應(yīng)力圖</p><p>　　圖8.26 45°風(fēng)+浪+甲板載荷，最后兩層之間斜撐與水平撐組合應(yīng)力圖</p><p>　　圖8.27 45°風(fēng)+浪+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力</p>&

84、lt;p>　　圖8.28 45°風(fēng)+浪+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力</p><p>　　圖8.29 45°風(fēng)+浪+甲板載荷，總體結(jié)構(gòu)位移</p><p>　　圖8.30 45°風(fēng)+浪+甲板載荷，總體組合應(yīng)力1</p><p>　　圖8.31 45°風(fēng)+浪+甲板載荷，總體組合應(yīng)力2</p>&l

85、t;p>　　表8.1 最大軸向應(yīng)力</p><p>　　表8.2 最大彎曲應(yīng)力</p><p><b>　　表8.3 最大位移</b></p><p>　　表8.4 最大組合應(yīng)力</p><p>　　由得平臺主體在風(fēng)冰載荷工況時，表8.1軸向應(yīng)力最大為75.4MPa<144MPa，表8.2彎曲應(yīng)力最大為42.

86、7MPa<144MPa，符合強度要求。平臺主體在風(fēng)冰載荷工況時，符合強度要求。表8.3位移最大為181 mm，符合規(guī)范要求.表8.4最大組合應(yīng)力為118MPa,符合規(guī)范要求。</p><p>　　9.設(shè)計所選場地調(diào)查</p><p><b>　　9.1一般要求</b></p><p>　　1.場地調(diào)查的實際范圍、深度和精確性取決于擬建平臺

87、結(jié)構(gòu)的尺寸、類型、使用要求、地基土壤的連續(xù)性和均勻性，以及基礎(chǔ)發(fā)生破壞的后果。</p><p>　　在確定調(diào)查區(qū)域的范圍時要有足夠的裕度，以便考慮：</p><p>　?。?）場地調(diào)查時的定位誤差；</p><p>　?。?）用于平臺調(diào)裝作業(yè)船的航海設(shè)備的誤差；</p><p>　?。?）安放平臺時的實際裕度。</p><

88、p>　　2.平臺建造場地的調(diào)查一般可分為以下三個部分：</p><p>　?。?）海床調(diào)查：獲取有關(guān)海床表面的地球物理資料；</p><p>　?。?）地質(zhì)調(diào)查：獲取該場地的區(qū)域特性資料；</p><p>　?。?）土質(zhì)勘察和試驗：獲取必要的土工資料。</p><p><b>　　9.2海床調(diào)查</b></p

89、><p>　　1. 應(yīng)對平臺實際建造場地的海床進行詳細的調(diào)查，獲取海床的測深、表面的不規(guī)則性、場地的平均坡度等資料。</p><p>　　2. 海床調(diào)查還應(yīng)包括對可能受沖刷影響的底坡位置、漂石、淺斷層以及人為障礙的存在情況進行調(diào)查并作出記錄。</p><p>　　3.應(yīng)對海床附近的水流進行調(diào)查。</p><p><b>　　9.3 地質(zhì)

90、調(diào)查</b></p><p>　　1. 地質(zhì)調(diào)查是為了獲取評定基礎(chǔ)地基和對場地有影響的鄰近區(qū)域的地質(zhì)資料。</p><p>　　2. 現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查應(yīng)能揭示平臺建造區(qū)域內(nèi)可能影響基礎(chǔ)設(shè)計和安裝的有關(guān)塌陷、滑動層、斷層、擠入層、泥漿塊、砂波等地質(zhì)情況。</p><p>　　3. 通過地質(zhì)調(diào)查所獲得的區(qū)域特性資料可作為規(guī)劃土質(zhì)勘察和實驗時的依據(jù)。</p&

91、gt;<p>　　4. 應(yīng)對平臺建造場地地震活動性近行評估，特別要驗證區(qū)域內(nèi)是否存在斷層，斷層的范圍和幾何尺寸。</p><p>　　9.4 土質(zhì)勘察和試驗</p><p>　　1. 土質(zhì)勘察和試驗應(yīng)是為了獲取地基各土層可靠的工程資料，以評價所要求的平臺結(jié)構(gòu)安全度和性能是否滿足，擬采用的安裝方法是否合適。</p><p>　　2.土質(zhì)勘察和試驗應(yīng)具有足

92、夠的廣泛性，以便揭示對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有重要影響的所有土層和巖石沉積。</p><p>　　3.土質(zhì)勘察和試驗可以綜合采用下述主要方法：</p><p>　　（1）地球物理方法；</p><p><b>　?。?）現(xiàn)場試驗；</b></p><p>　?。?）鉆孔取樣實驗室試驗。</p><p>　　僅由

93、地球物理方法獲得的資料不能作為設(shè)計依據(jù)。</p><p>　　4. 土質(zhì)勘察和試驗應(yīng)包括足夠數(shù)量的現(xiàn)場試驗、鉆孔取樣。試驗計劃要能構(gòu)提供土壤的強度、分類和變形特性。如有必要，可進一步試驗，以確定土壤的動力特性、靜載荷和循環(huán)載荷下的土—結(jié)構(gòu)相互作用特性。</p><p>　　5. 現(xiàn)場試驗應(yīng)包括無側(cè)限抗壓強度試驗、靜力觸探、小型十字板試驗、旁壓儀測試和標(biāo)準貫入基數(shù)試驗。</p>

94、<p>　　6. 鉆孔的數(shù)量和深度取決于現(xiàn)場附近地區(qū)的土質(zhì)變化狀況、平臺尺寸以及設(shè)計要求。</p><p>　　7.應(yīng)在海底面以下12m范圍內(nèi)連續(xù)取樣；12m至樁尖下10m，每3m取一次樣；樁尖下10m往下，每8m取一次樣，但每層土取樣不少于一次。</p><p>　　8.取樣應(yīng)盡可能不擾動土壤。土樣應(yīng)進行仔細包裝、保存和運輸，以便使擾動和水份損失減為最小。</p>

95、<p>　　9.土樣應(yīng)送至本社認可的實驗室進行試驗。</p><p>　　10. 實驗室土樣的試驗應(yīng)至少包括如下內(nèi)容：</p><p>　?。?）對需要補充現(xiàn)場試驗資料的土樣進行強度試驗；</p><p>　?。?）確定全部粘性土樣的含水量和塑性指數(shù)；</p><p>　?。?）確定所有土樣的容重；</p><

96、;p>　?。?）建立不固結(jié)—不排水三軸壓縮試驗，或固結(jié)—不排水三軸壓縮試驗的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系；</p><p>　?。?）對每一重量砂層或粉砂層，應(yīng)進行土顆粒尺寸的篩選分析。</p><p>　　11. 實驗室試驗的土樣應(yīng)有足夠數(shù)量。試驗時所施加的應(yīng)力盡可能與土壤單元在現(xiàn)場所受的應(yīng)力條件相同。應(yīng)可靠地反映固結(jié)比、初始應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件下引起的應(yīng)力。</p><p

97、>　　10.畢業(yè)設(shè)計總結(jié)：</p><p>　　10.1設(shè)計要求及目標(biāo)：</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計課題是南海200米水深導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，在指導(dǎo)老師張教授的細心指導(dǎo)下，我開始了本次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計思路和設(shè)計方法的初步設(shè)想。本次設(shè)計參照中國船級社2003年海洋環(huán)境載荷和固定平臺規(guī)范。經(jīng)過張教授給我講解的詳細步驟要求，我定下了設(shè)計步驟：第一步是學(xué)習(xí)MSC.Patran有限元軟件在

98、平臺結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。由于之前上王偉老師的課學(xué)過MSC.Patran，所以用這個軟件設(shè)計有些基礎(chǔ)，一些基本的操作已掌握。第二步是平臺選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定。我的設(shè)計課題是南海200米水深導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計之初我查找了許多導(dǎo)管架的研究學(xué)術(shù)論文及資料，參照張教授指導(dǎo)的模型尺寸確定要求。我在CAD里確定了模型的層數(shù)和第一層導(dǎo)管架高度，然后按照10:1的斜度設(shè)計，反正多次確定合理的寬度和高度。第三步確定環(huán)境載荷計算及各工況載荷的組合，本

99、次設(shè)計我選取了橫向風(fēng)載荷、波浪載荷、冰載荷，甲板載荷四種外部條件，然后設(shè)計了:橫向風(fēng)+冰+甲板載荷，45°風(fēng)+冰+甲板載荷，橫向風(fēng)+浪+甲板載荷，45°風(fēng)+浪+甲板載荷?？偣菜姆N工況下的結(jié)構(gòu)最大軸向應(yīng)力，最大彎曲應(yīng)力以及最大位移的分析。第四步是用有限元軟件MSC.Pa</p><p>　　10.2自身不足之處總結(jié)：</p><p>　　我覺得船舶專業(yè)知識博大精深，專業(yè)性

100、強，各種技術(shù)研究領(lǐng)域有待我們?nèi)パ芯堪l(fā)現(xiàn)。而作為一個船舶專業(yè)的畢業(yè)生，我在畢業(yè)設(shè)計完成時，我更是深有體會。大學(xué)里的各種課程設(shè)計，到最后一次的畢業(yè)設(shè)計對我們的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，掌握，已經(jīng)能力的提高都是非常重要的。在這次設(shè)計過程中，有剛開始對設(shè)計的不熟悉的迷茫，設(shè)計過程中遇到解決不了問題的東奔西跑，問同學(xué)，問老師，問研究生的認真求教，到最后完成設(shè)計的喜悅。設(shè)計完成了，感覺有困難，也發(fā)現(xiàn)了自己專業(yè)知識不扎實，對MSC.Patran軟件學(xué)習(xí)的不精。

101、建模過程一開始有點急躁，經(jīng)常出現(xiàn)很多重復(fù)節(jié)點和重復(fù)單元，而且在給加載力過程命名中隨意命名，以至于后來設(shè)計工況找力過程吃力，張教授告訴我設(shè)計是要嚴肅，細心，耐心并嚴謹?shù)?。告訴我怎么命名才能方便查找。光建模過程，我就建了12個模型，每次發(fā)現(xiàn)一些錯誤，雖然建模越來越快，但是建模過程中出現(xiàn)的問題讓我倍感羞愧。身為一個船舶專業(yè)的準畢業(yè)生，軟件操作水平比較差。但是我克服了這些難題，不懂就去想，想不通的就去問同學(xué)，老師。有時早上5點就起來設(shè)計。所以在

102、設(shè)計完成之時，我感受到了畢業(yè)設(shè)計的重量和意義。設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)的這些不足對自己來說是件好</p><p>　　10.3設(shè)計缺陷總結(jié)：</p><p>　　我個人理解用MSC.Patran軟件設(shè)計的目的是為了用最少的錢，設(shè)計最合理的結(jié)構(gòu)，包括各結(jié)構(gòu)尺寸、長寬、各導(dǎo)管厚度，橫撐和斜撐形式。本次設(shè)計雖然達到規(guī)范要求但是有個缺點就是材料選用量不是最優(yōu)的，用的材料教理想模型多，不符合最經(jīng)濟的要求。&l

103、t;/p><p><b>　　10.4設(shè)計感言：</b></p><p>　　船舶工程是一個專業(yè)性很強的行業(yè)，而MSC.Patran軟件對于船舶設(shè)計具有工程設(shè)計 、工程分析、和結(jié)果評估功能。學(xué)好MSC.Patran軟件對今后的工作相當(dāng)有用。在本次設(shè)計過程中，我通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館查閱大量有關(guān)資料，通過向老師、研究生請教等方式，并與同學(xué)交流經(jīng)驗和探討問題，使自己學(xué)到了不少海洋平

104、臺知識，經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣是巨大的。我培養(yǎng)了獨立、認真工作的態(tài)度，了解到如何對自己工作能力的提高，對今后的工作生活有非常重要的意義。本次設(shè)計大大提高了我的動手能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的專業(yè)知識是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和寶貴財富，必將使我終身受益。</p><p><b>　　[參考文獻]</b><

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