Spar平台上体结构设计及强度分析

论文摘要

随着陆上石油资源日趋枯竭,海洋石油成为人类重要的能源来源之一,深海平台技术开发已经成为国际海洋工程界的一个热点。Spar平台由于其灵活性好、建造成本相对较低、运动性能优良,已经成为我国在南海油气开发首选形式之一。本文主要研究Spar平台上体模块布置、结构设计和强度分析问题,对我国深水平台的设计具有较重要的理论和工程意义。本文根据国内外平台上体布置及结构设计资料,考虑海洋石油钻井及采油工艺过程,选择平台上体的主尺度及主要设备,按CCS《海上移动平台入级与建造规范(2005)》中的要求完成总布置设计,初选平台上体结构的构件尺寸。根据上体载荷特点和结构变形特征,建立整体结构分析模型,包括上体结构的尺寸、单元形式及边界条件。运用大型有限元通用软件MSC.Patran,建立了平台上体整体结构三维有限元板梁模型。针对平台作业工况和风暴自存工况,考虑三个风向和风速,计算风载荷,及确定其他载荷大小和分布。计算得到了平台上体结构变形分布及应力分布,明确了结构的危险部位。针对应力计算结果,按照CCS《规范(2005)》进行不同结构部位的强度校核。针对结构有限元计算结果,调整了结构布置,完成了上体总布置和结构设计,绘制了上体总布置图和结构图,结果满足规范和在位使用强度要求。计算分析表明,平台主体对平台上体的约束形式对上体甲板结构的强度影响较大,约束点位置的合理布置有利于减小平台上体结构的应力及变形。由于平台主体对上体的约束点较多,风载荷相对于工作状态的垂向载荷对甲板结构的影响较小。本文设计的Spar平台上体结构布置合理,强度满足CCS《规范(2005)》要求。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 Spar平台的发展回顾及展望
• 1.2.1 Spar平台发展回顾
• 1.2.2 Spar平台展望
• 1.3 平台结构强度分析有限元方法研究进展
• 1.4 本文工作
• 第二章 上体总布置设计
• 2.1 Spar平台甲板模块总布置原则
• 2.2 平台上部设施与设备
• 2.3 Spar平台总布置
• 2.3.1 钻井甲板
• 2.3.2 采油及中间甲板
• 2.3.3 井口甲板
• 第三章 上体结构设计
• 3.1 平台上体结构概述
• 3.2 平台上体结构规范计算
• 3.2.1 计算说明
• 3.2.2 构件规范计算
• 第四章 有限元静力分析的基本理论及MSC.Nastran软件简介
• 4.1 有限元方法
• 4.2 有限元法要点
• 4.3 线性有限元法的计算流程
• 4.4 MSC.Nastran软件简介
• 4.5 MSC.Nastran单元简介
• 4.5.1 简单梁单元CBAR
• 4.5.2 四节点等参四边形单元CQUAD4
• 4.5.3 三节点三角形板单元CTRIA3
• 4.5.4 RBE3 单元
• 第五章 平台上体结构有限元模型的建立
• 5.1 平台主要技术参数
• 5.1.1 平台主尺度
• 5.1.2 结构尺寸
• 5.1.3 主体与上体的连接
• 5.2 静力分析有限元模型的建立
• 5.2.1 特殊处理
• 5.2.2 上体与主体连接部分约束条件的处理
• 5.2.3 总体坐标系及采用单位
• 5.2.4 有限元模型
• 第六章 平台上体结构强度三维有限元分析
• 6.1 载荷计算
• 6.1.1 计算状态与环境参数
• 6.1.2 垂向载荷计算
• 6.1.3 风载荷计算
• 6.2 静载荷加载
• 6.2.1 施加垂向载荷
• 6.2.2 施加风载荷
• 6.3 计算结果
• 6.3.1 作业工况计算结果
• 6.3.2 自存工况计算结果
• 6.4 强度校核
• 6.4.1 杆件强度校核
• 6.4.2 板材强度校核
• 6.5 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢