船舶與海洋工程畢業(yè)設計30m水深固定平臺結構設計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　30m水深固定平臺結構設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 船舶與海洋工程

2、 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></

3、p><p>　　隨著人類對海洋資源開發(fā)的需求日益增長，近年來海洋工程在世界各國得到迅速發(fā)展，特別是海洋平臺。海洋平臺是一種海洋工程結構物，它為開發(fā)和利用海洋資源提供了海上作業(yè)與生活的場所。目前應用海洋平臺最為廣泛的領域當屬海上油氣資源的勘探與開發(fā)。因為海洋環(huán)境條件十分惡劣，所以對固定式海洋平臺的計算，不僅能夠檢驗規(guī)范設計是否符合強度要求，也可以對平臺整體構件進行更加直觀的計算，觀察哪些構件還需要加強，哪些可以減少。所

4、以對平臺的強度之間計算有著重要的意義。</p><p>　　本文以渤海海區(qū)的自然環(huán)境條件為設計依據(jù)，運用MSC-Patran有限元軟件，建立平臺有限元模型。在考慮了海風、海冰和波浪等環(huán)境荷載的基礎上，對其結構強度進行了直接計算，從而進一步優(yōu)化平臺的材料以及結構。</p><p>　　[關鍵詞] 結構強度；固定式平臺； MSC-Patran；應力；位移 </p><p&

5、gt;　　Designing of Jacket Platform at 30m Depth Sea</p><p>　　[Abstract] With the growing demand of humanity on the marine resources development, marine engineering in the world have developed rapidly in recen

6、t years, particularly offshore platforms. Offshore is a marine engineering structure, it is for the development and utilization of marine resources, marine operations and provide a place of life.Currently the most widely

7、 used areas of offshore platform was undoubtedly the offshore oil and gas resources exploration and development. Very poor condition </p><p>　　In this paper, the natural environment of the Bohai Sea for the

8、design basis conditions, the use of MSC-Patran finite element software, finite element model to create a platform. In considering the wind, sea ice and waves and other environmental loads, based on the strength of its di

9、rect calculation of the structure to further optimize the platform for materials and structures.</p><p>　　[Key Words] structural strength; fixed platform; MSC-Patran &Nastran; stress; displacement</p&

10、gt;<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1. 緒論1</b></p><p>　　1.1海洋平臺介紹1</p><p><b>　　1.2設計背景1</b></p><p>　　1.3本設計研究的目的與意義3</p>

11、<p>　　2. 環(huán)境條件和設計依據(jù)4</p><p><b>　　2.1環(huán)境條件4</b></p><p>　　2.2平臺設計依據(jù)4</p><p><b>　　2.3計算工況5</b></p><p>　　3.平臺選型和主尺度6</p><p>　

12、　3.1 平臺簡圖6</p><p><b>　　3.2甲板高程7</b></p><p><b>　　4. 載荷計算8</b></p><p>　　4.1風荷載計算8</p><p>　　4.2冰載荷計算10</p><p>　　4.3波浪載荷10</p&

13、gt;<p>　　4.4平臺甲板設備載荷14</p><p>　　5.平臺模型的建立和計算15</p><p>　　5.1結構簡化15</p><p>　　5.2邊界條件15</p><p>　　5.3計算程序15</p><p><b>　　5.4建模15</b><

14、;/p><p>　　5.5第一種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖20</p><p>　　5.6第二種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖26</p><p>　　5.7第三種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖33</p><p>　　5.8 第四種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖39</p><p&

15、gt;　　5.9 最大組合應力圖46</p><p><b>　　6.平臺防腐49</b></p><p>　　6. 1海洋平臺的腐蝕規(guī)律49</p><p>　　6. 2海洋平臺的防腐措施49</p><p><b>　　7.設計總結51</b></p><p>

16、　　7.1 設計目標51</p><p>　　7.2 存在不足51</p><p>　　7.3設計感想52</p><p>　　7.4總結和體會52</p><p><b>　　參考文獻53</b></p><p><b>　　致謝55</b></p>

17、<p><b>　　外文翻譯56</b></p><p><b>　　外文資料56</b></p><p><b>　　譯文60</b></p><p><b>　　1. 緒論</b></p><p><b>　　1.1海洋平

18、臺介紹</b></p><p>　　海洋平臺是一種海洋工程結構物，它為開發(fā)和利用海洋資源提供了海上作業(yè)與生活的場所。隨著海洋開發(fā)事業(yè)的迅速發(fā)展，海洋平臺得到了廣泛的應用，如海底石油和天然氣的勘探與開發(fā)、海底管線鋪設、海洋波浪能的利用、建造海上機場及海上工廠等。海洋平臺大致可分為三類：固定式平臺、移動式平臺、順應式平臺。而本文研究的固定式平臺按支承情況分為樁基式和重力式兩種。其特點是整體穩(wěn)定性好，剛度較

19、大，受季節(jié)和氣候的影響較小,抗風暴的能力強。缺點是機動性能差,一經下沉定位固定，則較難移位重復使用。樁基平臺屬鉆井、采油平臺,工作水深一般在十余米到200米的范圍內（個別平臺超過300米）,是目前世界上使用最多的一種平臺。從設計理論和建造技術來衡量，它都是一種最成熟和最通用的平臺型式。鋼筋混凝土重力式平臺是70年代初開始發(fā)展起來的一種新型平臺結構，目前主要用于歐洲的北海油田。這種平臺具有鉆井、采油、儲油等多種功能，水深在200米以內均可

20、采用，最佳水深為100～150米。由于固定式平臺具有結構簡單，制造、安裝方便，造價低整體穩(wěn)定性好，剛度較大，受季節(jié)和氣候的影響較小,抗風暴的能力強，等特點，所以固定式海洋平臺的發(fā)展是大勢所趨，</p><p><b>　　1.2設計背景</b></p><p>　　1.2.1MSC-Patran&Nastran介紹</p><p>　　

21、MSC-Patran&Nastran是功能齊全的高級非線性有限元軟件，具有極強的結構分析能力?？梢蕴幚砀鞣N線性和非線性結構分析包括：線性或非線性靜力分析、模態(tài)分析、簡諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩(wěn)、失效和破壞分析等。為滿足工業(yè)界和學術界的各種需求，提供了層次豐富、適應性強、能夠在多種硬件平臺上運行的系列產品。Patran提供了豐富的工具，能夠簡化線性，非線性，顯式動態(tài)方法，熱求解

22、器，以及其他有限元求解器的分析。Patran提供的幾何清理工具能夠使工程師可以輕松處理CAD中的縫隙和裂片，實體建模工具能夠從頭創(chuàng)建模型，從而Patran使得任何人都可以創(chuàng)建有限元模型。使用全自動網格劃分系統(tǒng)可以很容易在平面和立體上創(chuàng)建網格劃分（包括十六網格網格劃分），手工方法能夠提供更多的控制權，或者兩者的組合。最后，最流行的有限元求解器的荷載，邊界條件和分析設置是內置的，能夠最大限度地減少輸入文件的編輯。Patran的綜合性和行業(yè)測

23、試功能可以確保您的仿真原型創(chuàng)造可以快速提供結果，以便可以根據(jù)需求進行產品性能評估和優(yōu)化設計。</p><p>　　綜上所述，MSC-Patran&Nastran具有以下特點：鼠標驅動的Motif標準圖形用戶界面；命令過程自動文件記錄，記錄文件可編輯修改并用于模型參數(shù)化研究；交互的超文本在線幫助系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫不同平臺相互兼容；強大的Patran命令語言(PCL)可使用戶開發(fā)自己的分析模塊和完全集成已有的分析程

24、序 ；CAD模型直接讀入；Unigraphics幾何特征讀寫和編輯功能；獨立的幾何模型的創(chuàng)建和編輯工具；完全集成MSC的各種分析求解器及外部、第三方的分析求解器；豐富、高質量的1D, 2D 和 3D網格劃分器；任意的梁截面庫定義；載荷、邊界條件、材料和單元特性可直接施加在幾何模型上；可視化的與時間或溫度相關的載荷和材料特性的定義及顯示；豐富的結果后處理功能；豐富可調的色彩顯示方案。</p><p><b&g

25、t;　　1.2.2海洋工程</b></p><p>　　海洋工程是指以開發(fā)、利用、保護、恢復海洋資源為目的，并且工程主體位于海岸線向海一側的新建、改建、擴建工程。具體包括：圍填海、海上堤壩工程，人工島、海上和海底物資儲藏設施、跨海橋梁、海底隧道工程，海底管道、海底電(光)纜工程，海洋礦產資源勘探開發(fā)及其附屬工程，海上潮汐電站、波浪電站、溫差電站等海洋能源開發(fā)利用工程，大型海水養(yǎng)殖場、人工魚礁工程，鹽田

26、、海水淡化等海水綜合利用工程，海上娛樂及運動、景觀開發(fā)工程，以及國家海洋主管部門會同國務院環(huán)境保護主管部門規(guī)定的其他海洋工程。</p><p>　　海洋工程分類：可分為海岸工程、近海工程和深海工程等3類。 </p><p>　　海岸工程:古來就很受重視。主要包括海岸防護工程、圍海工程、海港工程、河口治理工程、海上疏浚工程、沿海漁業(yè)設施工程、環(huán)境保護設施工程等。 </p>&l

27、t;p>　　近海工程:又稱離岸工程。20世紀中葉以來發(fā)展很快。主要是在大陸架較淺水域的海上平臺、人工島等的建設工程，和在大陸架較深水域的建設工程，如浮船式平臺、半潛式平臺、自升式平臺、石油和天然氣勘探開采平臺、浮式貯油庫、浮式煉油廠、浮式飛機場等項建設工程。</p><p>　　深海工程:包括無人深潛的潛水器和遙控的海底采礦設施等建設工程。由于海洋環(huán)境變化復雜，海洋工程除考慮海水條件的腐蝕、海洋生物的污著等

28、作用外，還必須能承受臺風、海浪、潮汐、海流和冰凌等的強烈作用，在淺海區(qū)還要經受得了岸灘演變和泥沙運移等的影響。</p><p>　　1.2.3海洋工程裝備范疇</p><p>　　海洋工程裝備是指用于海洋資源勘探、開采、加工、儲運、管理及后勤服務等方面的大型工程裝備和輔助性裝備。國際上通常將海洋工程技術裝備分為三大類：海洋油氣資源開發(fā)裝備；其他海洋資源開發(fā)裝備；海洋浮體結構物。海洋油氣資源

29、開發(fā)裝備是目前海洋工程裝備的主體，包括各類鉆井平臺、生產平臺、浮式生產儲油船、卸油船、起重船、鋪管船、海底挖溝埋管船、潛水作業(yè)船等。</p><p>　　1.3本設計研究的目的與意義</p><p>　　發(fā)展海洋經濟對我國經濟社會發(fā)展有重大戰(zhàn)略意義，因為我國不僅是一個陸地大國，也是一個海洋大國?？晒茌牶Ｓ蛎娣e300萬平方公里，是我國的“藍色國土”；大陸海岸線達18000公里，面積較大的海島

30、有7000多個；在國際海底區(qū)域還擁有數(shù)萬平方公里的多金屬結核礦區(qū)。海洋資源在我國現(xiàn)代化建設中發(fā)揮著日益重要的作用。合理開發(fā)利用海洋資源是世界可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。針對當前我國資源緊缺的突出矛盾，也需要加大海洋油氣資源、海洋生物資源和海水資源等多種海洋資源的開發(fā)利用的力獨，為緩解國家能源安全、糧食安全和水資源安全問題分憂解難。</p><p>　　我國油氣資源儲量豐富，按第三次石油資源評價初步結果，目前全國石油資源

31、量為1072.7億噸，已探明儲量225.6億噸，探明率在39%左右。其中海洋石油資源量為246億噸，占總量的22.9%。天然氣資源量為54.54萬億立方米，其中海洋為15.79萬億立方米，占29.0%。從有關數(shù)據(jù)可以看出，我國石油資源的平均探明率為38.9%，海洋僅為12.3%，遠遠低于世界平均探明率73%和美國的探明率75%。我國天然氣的平均探明率為23.0%，海洋為10.9%，而世界平均探明率在60.5%左右.因此我國油氣資源的探明

32、率(尤其是海洋)很低，整體上處于勘探的早中期階段。而海洋石油與天然氣已成為我國能源生產重要的組成部分，對國民經濟建設、國家安全戰(zhàn)略有著重要的意義。因此海洋平臺的開發(fā)、設計是未來幾年海洋工程研究的主流。</p><p>　　固定式平臺適用于幾米到幾十米水深，而我國渤海、黃海、東海水深一般都在幾十米水深，固定式平臺有著廣闊適用范圍。如本文選取的30米水深固定式海洋平臺通過對其強度計算，能夠了解所選的平臺是否滿足規(guī)范，

33、對平臺的安全性具有重要的參考價值。</p><p>　　2. 環(huán)境條件和設計依據(jù)</p><p><b>　　2.1環(huán)境條件</b></p><p>　　開發(fā)三號工作環(huán)境是在渤海，所以選擇的環(huán)境載荷應該是渤海灣的自然情況下的情況。</p><p>　　2.1.1設計水深 </p><p>　　

34、設計水深 30m</p><p><b>　　2.1.2潮位</b></p><p>　　校核高水位（50年重現(xiàn)期） 3.08m</p><p>　　設計高水位 1.48m</p><p>　　平均海平面 0.0

35、0m</p><p>　　設計低水位 -0.69m</p><p>　　校核低水位 -2.32m</p><p><b>　　2.1.3波浪</b></p><p>　　自存工況 100年一遇</p>&l

36、t;p>　　最大波高 H=6m</p><p>　　最大波浪周期 T=8.65s</p><p><b>　　2.1.4海流</b></p><p>　　本海區(qū)潮流的運動形式為往復流，主流的方向大致與等深線平行，漲潮流的方向約為ESE向，落潮流為WNW。海流最大速度1.0

37、29m/s。</p><p><b>　　2.1.5風</b></p><p><b>　　設計風速</b></p><p>　　工況設計風速下 36.0m/s</p><p>　　自存狀態(tài)設計風速下 51.5m/s</p><p><b>　　

38、2.1.6海冰</b></p><p>　　設計冰厚（50年一遇） 0.45m</p><p>　　抗壓強度 1717kPa</p><p><b>　　2.2平臺設計依據(jù)</b></p><p>　　單一應力分量，以及適當時這類應力的直接合成，均不應超過由下列公式求得的

39、許用應力值:</p><p>　　式中 ——許用應力，MP a ;</p><p>　　—— 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><p>　　對軸向拉應力及彎曲應力 S=1.67，；</p><p>　　材料的屈服極限=240M

40、Pa；</p><p>　　所以平臺的彎曲和軸向許可應力=240×0.6=144MPa；</p><p><b>　　2.3計算工況</b></p><p>　　我們考慮平臺最危險情況就可以了，在自存情況下平臺具有最危險工況，我們只要檢驗自存狀態(tài)平臺的強度即可。</p><p>　　平臺在自存狀態(tài)下受到風冰載荷

41、作用：</p><p>　　風+冰+甲板載荷, 作用方向:0°</p><p>　　風+冰+甲板載荷, 作用方向:45°</p><p>　　平臺在自存狀態(tài)下受到風浪流作用：</p><p>　　風+浪+甲板載荷，作用方向:0°</p><p>　　風+浪+甲板載荷，作用方向:45

42、6;</p><p>　　3.平臺選型和主尺度</p><p><b>　　3.1 平臺簡圖</b></p><p><b>　　圖3.1平臺正面圖</b></p><p>　　圖3.2平臺各層尺寸</p><p><b>　　3.2甲板高程 </b>&

43、lt;/p><p>　　底甲板下緣高程公式: （3.1） </p><p>　　其中: Ht一設計高潮位;</p><p><b>　　H一設計波高;</b></p><p>　　△一底甲板下緣與波峰之間的間隙，至少1.5m。</p><

44、;p>　　由公式3. 1算得CH=8.87m，</p><p>　　所以平臺最高層甲板離水平面距離為9m。</p><p><b>　　4. 載荷計算</b></p><p><b>　　4.1風荷載計算</b></p><p>　　4.1.1平臺的環(huán)境載荷</p><p&

45、gt;　　平臺在工作情況下：36.0m/s</p><p>　　平臺在自存情況下：51.5m/s</p><p>　　4.1.2作用在平臺上的風載荷</p><p><b>　　應按下式計算：</b></p><p>　　N （4.1）</p><p>　　式中

46、：——風荷載形狀系數(shù)。梁及建筑物側壁取1.5,對圓柱體側壁取0.5，對平臺總投影面積取1.0；</p><p>　　——海上風壓高度變化系數(shù)，見表4.1。表中值可用內插法確定；</p><p><b>　　——基本風壓；</b></p><p>　　——受壓面積，即垂直于風向的輪廓投影面積，m2 。</p><p>　　

47、表4.1海上風壓高度變化系數(shù) </p><p>　　4.1.3 基本風壓應按下式計算：</p><p>　　Pa （4.2）</p><p>　　式中：——風壓系數(shù)，取0.613，N.s2/m4；</p><p>　　——時距為t分鐘的設計風速

48、，m/s。</p><p>　　所以根據(jù)上述資料可以列出下表</p><p>　　表4.2 0°風載荷計算</p><p>　　等效風力為16047.925N</p><p>　　等效作用位置為海面以上距海面4.988m</p><p>　　表4.3 45°風載荷計算</p>&l

49、t;p>　　等效風力為23446.8N</p><p>　　等效作用位置為海面以上距離海面3.91m</p><p>　　根據(jù)上面計算，平臺的風載荷在自存狀況下比較大，平臺在這個時候比較危險。所以有限元計算時只要計算自存狀況下的強度。</p><p>　　各種工況下風載荷總結：在自存狀況下的載荷大于工作情況下，計算時只要計算最惡劣的情況即可，所以只要計算自存狀

50、態(tài)下平臺的強度。</p><p><b>　　4.2冰載荷計算</b></p><p>　　結冰海域內，在風和流作用下，大面積冰原擠壓垂直孤立樁柱所產生的冰載荷可按下式計算：</p><p>　　kN (4.3)</p><p>　　式中：——樁柱形狀系數(shù)，對圓截面柱采用0.9；<

51、;/p><p><b>　　——局部擠壓系數(shù)；</b></p><p>　　——樁柱與冰層的接觸系數(shù)；</p><p>　　——樁柱寬度（或直徑），m；</p><p>　　——冰層計算厚度，m,應按國家主管部門提供的實測資料取值。</p><p><b>　　4.2.1計算結果</b

52、></p><p>　　根據(jù)CCS規(guī)范擠壓系數(shù) K1=2.5；</p><p>　　接觸系數(shù) K2=0.45；</p><p>　　由環(huán)境條件 Rc＝1717kPa；</p><p>　　由設計資料

53、 b=1.2m h=0.45m;</p><p><b>　　則冰載荷為：</b></p><p>　　=0.9×2.5×0.45×1717×1.2×0.45</p><p>　　=938.76975kN</p><p>　　因為冰的厚度為0

54、.45米，所以冰的作用點為海面以下距離海面0.225米。選取模型的最近節(jié)點加載，即加載點為水面。</p><p><b>　　4.3波浪載荷</b></p><p>　　對小尺度圓形構件，垂直于其軸線方向單位長度上的波浪力，當D/L≦0.2（D為圓形構件直徑，m；L為設計波長，m）時，可按下列公式計算：</p><p>　　N/m

55、 (4.4)</p><p>　　式中： ——海水密度，kg/m3 ；</p><p>　　——垂直于構件軸線的阻力系數(shù)。必要時，應盡量由試驗確定。在實驗資料不足時，對圓形構件可取=0.6~1.0；</p><p>　　——慣性力系數(shù)，應盡量由試驗確定，在實驗資料不足時，對圓形構件可取2.0；</p><p>　　——水質點

56、相對于構件的垂直于構件軸線的速度分量，m/s, 為其絕對值，當海流和波浪聯(lián)合對平臺作用時，為水質點的波浪速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構件方向上的分矢量；</p><p>　　——水質點相對于構件的垂直于構件軸線的加速度分量，m/s2。</p><p>　　根據(jù)線性波理論得： (4.5)</p><p>　　則速度：

57、 (4.6)</p><p>　　所以： (4.7)</p><p><b>　　(4.8)</b></p><p>　　因為 =109.52m

58、 （4.9）</p><p>　　k=0.057 =0.726</p><p><b>　　所以可以列出下表：</b></p><p>　　表4.4波浪載荷計算</p><p>　　所以拖曳力距離泥面20.34m，慣性力距離泥面17.05m。當L/D≥8時不需要考慮了（L為樁腿之間的距離，D為

59、樁腿直徑），所以在橫向和斜向要考慮群樁效應，冰載荷在后面兩根樁腿受到的里是前面兩根0.3倍?？v向的時候不需要考慮。</p><p>　　根據(jù)力矩的計算方法可以得到等效作用力為260125N，等效作用位置為距離海底14米處。</p><p>　　當只考慮海流作用時，圓形構件單位長度上的海流載荷可按下式計算：</p><p>　　N/m （4.10）&

60、lt;/p><p>　　式中： ——阻力系數(shù)；</p><p>　　——海水密度，kg/m3；</p><p>　　——設計海流速度，m/s；</p><p>　　——單位長度構件垂直于海流方向的投影面積，m2/m。</p><p>　　因為海流所產生的力相對于風載荷、冰載荷、自重來說，是相對較小的。所以在模型中可以省略，

61、對結果不會產生嚴重的影響。</p><p>　　4.4平臺甲板設備載荷</p><p>　　甲板載荷總共是200噸，通過換算，將甲板載荷等效于四個角的節(jié)點上，作用于上層甲板上。</p><p>　　5.平臺模型的建立和計算</p><p><b>　　5.1結構簡化</b></p><p>　　平

62、臺由甲板、導管架及樁基組成，甲板是板梁結構，甲板上的設備重量等效為4個50t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管架上。</p><p>　　對于管單元的慣性矩的計算:</p><p><b>　　（5.1）</b></p><p>　　式中:D一管的外徑;</p><p>&

63、lt;b>　　d一管的內徑。</b></p><p><b>　　由剛度相等，可得:</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　設等效后的單元的外徑D、內徑d;導管架的外徑D1、內徑d1;樁腿的外徑</p><p>　　D2、內徑d2。取D= D1

64、</p><p>　　由式（5.2）得出：</p><p><b>　　（5.3）</b></p><p>　　將數(shù)據(jù)代入方程：D= D1=1200mm，D2=1100mm，d1=1130mm，d2=1090m</p><p>　　可得等效后導管架的厚度約40mm。</p><p><b&g

65、t;　　5.2邊界條件</b></p><p>　　平臺以樁為基礎，導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，可將樁的下部看作為一剛性固支端(取8倍樁徑)，本設計取泥面以下9.54m(為8倍的樁徑，符合規(guī)范中的8倍樁徑的要求)。</p><p><b>　　5.3計算程序</b></p><p>　　平臺結構計算分析

66、采用國際通用的結構有限元軟件Patran，此處使用的是Patran2005。</p><p><b>　　5.4建模</b></p><p>　　通過Patran軟件進行建模，首先在通過計算畫出草圖，并用CAD表示出來。然后計算出各點的坐標，在Patran上輸入各點的坐標，用curve連成線。再用命令Mesh seed布置節(jié)點，各節(jié)點的距離大概為1米。接著是定義材料的

67、屬性，因為該平臺用的是鋼材，所以定義是一些鋼材的基本屬性。同時用合適的鋼管布置上去。最后把載荷、約束加載到計算好的加載點上，并分好工況，再分析出圖。</p><p><b>　　原結構如下：</b></p><p><b>　　圖5.1總體結構圖</b></p><p>　　圖5.2加載后的總體結構圖</p>

68、<p>　　圖5.3水面以上的平臺結構圖</p><p>　　圖5.4水面以下平臺結構圖</p><p><b>　　圖5.5導管圖</b></p><p><b>　　圖5.6斜撐</b></p><p><b>　　圖5.7樁腿</b></p>&

69、lt;p>　　因為平臺工況可以分為四種情況，即：</p><p>　　1）風+冰+甲板載荷, 作用方向:0°</p><p>　　2）風+冰+甲板載荷, 作用方向:45°</p><p>　　3）風+浪+甲板載荷，作用方向:0°</p><p>　　4）風+浪+甲板載荷，作用方向:45°</

70、p><p>　　所以各種工況下的受力也是不同的。</p><p>　　5.5第一種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖</p><p>　　5.5.1軸向應力圖</p><p>　　圖5.8總體結構軸向應力圖</p><p>　　在node878處有最大軸向應力，坐標為（10385,10385，-39541），單位為mm

71、，最大值為27MPa，遠小于設計的許用應力144MPa，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.9泥樁以上結構軸向應力圖</p><p>　　在node662處有最大軸向應力，坐標為（2665，-7181.6665，-10666.667），單位為mm，最大值為19.4MPa，遠小于設計的許用應力144MPa，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.10水面以上平臺結構軸

72、向應力圖</p><p>　　在node83處有最大軸向應力，坐標為（5777,5777,2000），單位為mm，最大值為2.92MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.11水面以下平臺結構軸向應力圖</p><p>　　在node152處有最大軸向應力，坐標為（1129.1664,6775，-7000），單位為mm，最大值為11.4MP

73、a，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.12導管結構軸向應力圖</p><p>　　在node517處有最大軸向應力，坐標為（9215.083，-9215.083，-29000），單位為mm，最大值為17.9MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　5.5.2彎曲應力圖</p><p>　　圖5.1

74、3總體結構彎曲應力圖</p><p>　　在node74處有最大彎曲應力，坐標為（-4621.6,5777,2000），單位為mm，最大值為64.5MPa，小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.14泥樁以上結構彎曲應力圖</p><p>　　在node74處有最大彎曲應力，坐標為（-4621.6,5777,2000），單位為mm，最大值為64.5

75、MPa，小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.15水面以上平臺結構彎曲應力圖</p><p>　　在node74處有最大彎曲應力，坐標為（-4621.6,5777,2000），單位為mm，最大值為64.5MPa，小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.16水面以下平臺結構彎曲應力圖</p><p>　　在

76、node146處有最大彎曲應力，坐標為（-5645.8335,6775，-7000），單位為mm，最大值為57.8MPa，小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.17導管結構彎曲應力圖</p><p>　　在node489處有最大彎曲應力，坐標為（-6664.1113，-6664.1113，-6000），單位為mm，最大值為48.7MPa，小于設計的許用應力，符合規(guī)范。&

77、lt;/p><p><b>　　5.5.3位移云圖</b></p><p>　　圖5.18總體結構位移圖</p><p>　　在node36處有最大位移，坐標為（-6664.1113，-6664.1113，-6000），單位為mm，最大位移為503mm。</p><p>　　圖5.19泥樁以上結構位移圖</p>

78、<p>　　在node36處有最大位移，坐標為（-6664.1113，-6664.1113，-6000），單位為mm，最大位移為503mm。</p><p>　　圖5.20斜撐結構位移圖</p><p>　　在node646處有最大位移，坐標為（-666.25，-6876.6665，-7916.667），單位為mm，最大位移為186mm。</p><p>

79、;　　5.6第二種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖</p><p>　　5.6.1軸向應力圖</p><p>　　圖5.21總體結構軸向應力圖</p><p>　　在node878處有最大軸向應力，坐標為（10385,10385，-39541），單位為mm，最大值為36.9MPa，遠小于設計的許用應力144MPa，符合規(guī)范。</p><p&

80、gt;　　圖5.22泥樁以上結構軸向應力圖</p><p>　　在node590處有最大軸向應力，坐標為（9215.083,9215.083，-29000），單位為mm，最大值為24MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.23水面以上結構軸向應力圖</p><p>　　在node83處有最大軸向應力，坐標為（5777,5777,2000）

81、，單位為mm，最大值為3.42MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.24水面以下結構軸向應力圖</p><p>　　在node345處有最大軸向應力，坐標為（9326,9326，-30000），單位為mm，最大值為13.8MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.25導管結構軸向應力圖</p>&

82、lt;p>　　在node590處有最大軸向應力，坐標為（9215.083,9215.083，-29000），單位為mm，最大值為24MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　5.6.2彎曲應力圖</p><p>　　圖5.26總體結構彎曲應力圖</p><p>　　在node908處有最大彎曲應力，坐標為（-10385，-10385,395

83、41），單位為mm，最大值為81.8MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.27泥樁以上結構彎曲應力圖</p><p>　　在node489處有最大彎曲應力，坐標為（-6664.1113,-6664.1113，-6000），單位為mm，最大值為69.1MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.28水面以上結構彎曲

84、應力圖</p><p>　　在node105處有最大彎曲應力，坐標為（-5777，-5777,2000），單位為mm，最大值為51.9MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.29水面以下結構彎曲應力圖</p><p>　　在node183處有最大彎曲應力，坐標為（-6775，-6775，-7000），單位為mm，最大值為62.7MPa，遠

85、小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.30導管結構彎曲應力圖</p><p>　　在node489處有最大彎曲應力，坐標為（-6664.113，-6664.1113，-6000），單位為mm，最大值為69.1MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p><b>　　5.6.3位移云圖</b></p>

86、<p>　　圖5.31總體結構位移圖</p><p>　　在node33處有最大位移，坐標為（-5000，-5000,9000），單位為mm，最大值為506mm。</p><p>　　圖5.32泥樁以上結構位移圖</p><p>　　在node3處有最大位移，坐標為（-5000，-5000,9000），單位為mm，最大值為506mm。</p>

87、<p>　　圖5.33斜撐結構位移圖</p><p>　　在node177處有最大位移，坐標為（-6775,-5643.8335，-7000），單位為mm，最大值為185mm。</p><p>　　5.7第三種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖</p><p>　　5.7.1軸向應力圖</p><p>　　圖5.34總體結構

88、軸向應力圖</p><p>　　在node878處有最大軸向應力，坐標為（10385,10385，-39541），單位為mm，最大值為5.08MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.35泥樁以上結構軸向應力圖</p><p>　　在node517處有最大軸向應力，坐標為（9215.083，-9215.083，-29000），單位為mm，最

89、大值為4.05MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.36水面以上結構軸向應力圖</p><p>　　在node83處有最大軸向應力，坐標為（5777,5777,2000），單位為mm，最大值為1.78MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.37水面以下結構軸向應力圖</p><p>　

90、　在node157處有最大軸向應力，坐標為（6775,6775，-7000），單位為mm，最大值為1.92MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.38導管結構軸向應力圖</p><p>　　在node517處有最大軸向應力，坐標為（9215.083，-9215.083，-29000），單位為mm，最大值為4.05MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</

91、p><p>　　5.7.2彎曲應力圖</p><p>　　圖5.39總體結構彎曲應力圖</p><p>　　在node888處有最大彎曲應力，坐標為（-10385,10385，-39541），單位為mm，最大值為5.88MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.40泥樁以上結構彎曲應力圖</p><p

92、>　　在node362處有最大彎曲應力，坐標為（-8289.773,9326，-30000），單位為mm，最大值為2.52MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.41水面以上結構彎曲應力圖</p><p>　　在node74處有最大彎曲應力，坐標為（-4621.6001,5777,2000），單位為mm，最大值為2MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。&

93、lt;/p><p>　　圖5.42水面以下結構彎曲應力圖</p><p>　　在node362處有最大彎曲應力，坐標為（-4621.6001,5777,2000），單位為mm，最大值為2.52MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.43導管結構彎曲應力圖</p><p>　　在node517處有最大彎曲應力，坐標為（9

94、215.083，-9215.083，-29000），單位為mm，最大值為2.02MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p><b>　　5.7.3位移云圖</b></p><p>　　圖5.44總體結構位移圖</p><p>　　在node35處有最大位移，坐標為（-5000，-4000，9000），單位為mm，最大位移為23.9

95、mm。</p><p>　　圖5.45泥樁以上結構位移圖</p><p>　　在node35處有最大位移，坐標為（-5000，-4000，9000），單位為mm，最大位移為23.9mm。</p><p>　　圖5.46斜撐結構位移圖</p><p>　　在node757處有最大位移，坐標為（-5329.1436，-8755.5713，-248

96、57.145），單位為mm，最大位移為16.9mm。</p><p>　　5.8 第四種工況下的軸向應力圖、彎曲應力圖、位移圖</p><p>　　5.8.1軸向應力圖</p><p>　　圖5.46總體結構軸向應力圖</p><p>　　在node878處有最大軸向應力，坐標為（10385,10385，-39541），單位為mm，最大值為6

97、.01MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.47泥樁以上結構軸向應力圖</p><p>　　在node590處有最大軸向應力，坐標為（1332.2854,8185.1431，-19714.285），單位為mm，最大值為4.5MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.48水面以上結構軸向應力圖</p>

98、<p>　　在node83處有最大軸向應力，坐標為（5777,5777,2000），單位為mm，最大值為1.82MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.49水面以下結構軸向應力圖</p><p>　　在node345處有最大軸向應力，坐標為（9326,9326，-30000），單位為mm，最大值為2.19MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。&l

99、t;/p><p>　　圖5.50導管結構軸向應力圖</p><p>　　在node590處有最大軸向應力，坐標為（9215.083，9215.083,-29000），單位為mm，最大值為4.5MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　5.8.2彎曲應力圖</p><p>　　圖5.51總體結構彎曲應力圖</p>

100、<p>　　在node908處有最大彎曲應力，坐標為（-10385,-10385，-39541），單位為mm，最大值為8.86MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.52泥樁以上結構彎曲應力圖</p><p>　　在node590處有最大彎曲應力，坐標為（9215.083，9215.083,-29000），單位為mm，最大值為3.02MPa，遠小于設計

101、的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.53水面以上結構彎曲應力圖</p><p>　　在node104處有最大彎曲應力，坐標為（-54621.5996，-5777,2000），單位為mm，最大值為1.99MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.54水面以下結構彎曲應力圖</p><p>　　在node3

102、64處有最大彎曲應力，坐標為（-9326,-9326，-30000），單位為mm，最大值為2.82MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.55導管結構彎曲應力圖</p><p>　　在node590處有最大彎曲應力，坐標為（9215.083,9215.083，-29000），單位為mm，最大值為3.02MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p>

103、<p><b>　　5.8.3位移云圖</b></p><p>　　圖5.56總體結構位移圖</p><p>　　在node33處有最大位移，坐標為（-5000，-5000，9000），單位為mm，最大位移為28.5mm。</p><p>　　圖5.57泥樁結構位移圖</p><p>　　在node33處有

104、最大位移，坐標為（-5000，-5000，9000），單位為mm，最大位移為28.5mm。</p><p>　　圖5.58斜撐結構位移圖</p><p>　　在node757處有最大位移，坐標為（-5329.1436，-8755.5713，-24857.145），單位為mm，最大位移為18.1mm。</p><p>　　5.9 最大組合應力圖</p>

105、<p>　　圖5.55風冰0°最大組合應力圖</p><p>　　在node888處有最大組合應力，坐標為（-10385，10385，-39541），單位為mm，最大值為77.7MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.55風冰45°最大組合應力圖</p><p>　　在node908處有最大組合應力，坐標為（

106、-10385，-10385，-39541），單位為mm，最大值為112MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　圖5.55風浪0°最大組合應力圖</p><p>　　在node888處有最大組合應力，坐標為（-10385，10385，-39541），單位為mm，最大值為4.02MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　

107、　圖5.55風浪45°最大組合應力圖</p><p>　　在node908處有最大組合應力，坐標為（-10385，-10385，-39541），單位為mm，最大值為7.93MPa，遠小于設計的許用應力，符合規(guī)范。</p><p>　　根據(jù)上面的受力圖和位移圖可以列出下表</p><p>　　表5.1最大軸向應力表</p><p>　

108、　由表5.1得平臺主體在風冰載荷45°工況時，軸向應力最大為36.9MPa<144MPa，符合強度要求。</p><p>　　表5.2最大彎曲應力表</p><p>　　由表5.2得平臺主體在風冰載荷為45°工況時，彎曲應力最大為81.8 MPa<144MPa，符合強度要求。</p><p><b>　　表5.3最大位移表&

109、lt;/b></p><p>　　由表5.3得平臺主體在風冰載荷45°工況時，位移最大為506mm，符合規(guī)范要求。</p><p>　　表5.4最大組合應力表</p><p>　　由表5.4得平臺主體在風冰載荷45°工況時，組合應力最大為112 MPa<144MPa，符合規(guī)范要求。</p><p><b&

110、gt;　　6.平臺防腐</b></p><p>　　6. 1海洋平臺的腐蝕規(guī)律</p><p>　　海洋平臺的使用環(huán)境極其惡劣,陽光暴曬、鹽霧、波浪的沖擊、復雜的海水體系、環(huán)境溫度和濕度變化及海洋生物侵蝕等使得海洋平臺腐蝕速率較快。海洋平臺在不同的海洋環(huán)境下,腐蝕行為和腐蝕特點會有比較大的差異。因此要對海洋平臺結構在海洋環(huán)境中腐蝕區(qū)域的腐蝕情況進行分析和界定,才能針對性地提出有

111、效的保護措施。根據(jù)海洋環(huán)境、腐蝕特點和平均腐蝕率不同,海洋平臺在海洋環(huán)境中可分為海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)和全浸區(qū)3大區(qū)域。為了更好地分析海洋平臺鋼結構的腐蝕情況,許多研究者又將飛濺區(qū)分為飛濺區(qū)和潮差區(qū),全浸區(qū)分為海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū),即分成5大腐蝕區(qū)域。</p><p>　　海洋大氣區(qū):海洋大氣區(qū)海鹽粒子使腐蝕加快,干燥表面與含鹽的濕膜交替變換形成物理、化學和電化學作用影響金屬腐蝕。</p><p

112、>　　飛濺區(qū):在海洋環(huán)境中腐蝕最嚴重的部位是在平均海潮以上的飛濺區(qū)。由于經常成潮濕表面,表面供氧充足,無海生物污損。長時間潤濕表面與短時間干燥表面的交替作用和浪花沖刷,造成物理與電化學為主的腐蝕破壞,且破壞最大。</p><p>　　潮差區(qū):鋼結構在潮差區(qū)的腐蝕為最低,甚至小于海水全浸和海底泥土的腐蝕率。在平均低潮位以下附近區(qū)域的腐蝕出現(xiàn)一個峰值,這是因為鋼樁在海洋環(huán)境中,隨著潮位的漲落,在水線上方濕潤的鋼

113、鐵表面供氧總量比水線下方的浸在海水中的鋼結構表面要充分得多,且彼此構成一個回路,由此成為一個氧濃度差宏觀腐蝕電池。腐蝕電池中富氧區(qū)為陰極,即潮差區(qū);相對缺氧區(qū)為陽極,即平均低潮位水線下方的區(qū)域?？偟男Ч钦麄€潮差區(qū)中每一點分別受到了不同程度的陰極保護。而在平均低潮位以下則經常作為陽極而出現(xiàn)的腐蝕峰值。</p><p>　　海水全浸區(qū):在海水全浸區(qū)的腐蝕中,淺海腐蝕可能比海洋大氣中更迅速,深海區(qū)的氧含量往往比表層低

114、得多,水溫近于0℃,腐蝕較輕。</p><p>　　海底泥土區(qū):存在硫酸鹽和還原菌等細菌,海底沉積物的來源及特征不一。受海水影響少,且溫度低,腐蝕程度小,只是在海流作用交界處有一定腐蝕。</p><p>　　6. 2海洋平臺的防腐措施</p><p>　　在如今的平臺防腐措施中，用涂料層涂裝保護是一種重要的防腐方法。通常是大氣區(qū)結構均采用涂料涂層保護;飛濺區(qū)結構采用

115、大膜厚的涂料涂層保護,亦有采用耐腐蝕包復層保護;浸水區(qū)結構和插入海底泥土中的鋼樁采用涂料涂層加陰極保護。</p><p>　　鋅加保護也是一種優(yōu)質便捷的鋼結構防腐保護方法,鋅加保護對基體材料擁有陰極保護和屏蔽保護雙重作用。鋅加保護技術具有優(yōu)異的防腐性能在于鋅加鍍鋅涂層干膜中含鋅量達96%。鋅加保護還具備獨特的重融性,新的鋅加涂層與原有的鋅加鍍層可完全融合,便于維修補涂。鋅加保護與傳統(tǒng)有機涂料相比,具有很強的陰極保

116、護作用并且可以作為良好的底層,其耐腐蝕能力高于常規(guī)的富鋅底漆5～6倍,防腐保護年限可達到25～30年。在海洋平臺全浸區(qū)的腐蝕程度比大氣區(qū)嚴重,但比飛濺區(qū)要輕。全浸區(qū)一般采用陰極保護或涂料與陰極保護的聯(lián)合保護,而很少單獨采用涂料保護,原因是目前防銹、防污涂料使用期限很難達到海洋平臺永久性的保護。鋅加保護技術在涂層保護和陰極長效保護的雙重作用下,具有較長的防腐保護年限從而彌補了一般涂料在防腐作用使用年限的不足。鋅加保護在海洋平臺全浸區(qū)部位鋼

117、結構防腐蝕涂裝方案如表3所示。經國內外海洋平臺的工程證明,鋅加保護涂層技術的防腐性能十分優(yōu)異。2000年鋅加保護技術被應用在國內深圳蛇口海上鉆井平臺和東海平湖油田海上鉆井平臺的局部維修上,修復的鋅加涂層用到至今未發(fā)現(xiàn)銹蝕,防腐性能良好。</p><p><b>　　7.設計總結</b></p><p><b>　　7.1 設計目標</b><

118、/p><p>　　本次畢業(yè)設計的題目是30m水深固定式海洋平臺設計，本次設計的目標是在老師指導下按照相關設計規(guī)范能夠獨立完成渤海海域簡易固定式導管架式海洋平臺的設計。其設計的主要內容包括了一下幾個方面：學習Patran在平臺結構中的應用；參照一些文獻和規(guī)范對平臺的主尺度和構件尺寸進行確定；根據(jù)相關的規(guī)范計算環(huán)境載荷；按要求對各工況的載荷進行組合；在CAD中畫出草圖；通過Patran建立平臺有限元模型；將各種工況的載荷

119、加載到有限元模型中；對平臺進行強度校核；出圖等。</p><p>　　在本次設計中我對平臺的強度分析是用有限元軟件Patran來實現(xiàn)的。因為對這個有限元軟件接觸地不是很多，所以對于它的功能和命令只是一些模糊的了解。所以能否熟練掌握并運用該軟件的各項功能是進行設計的關鍵一步。因為該軟件全都是英文界面，所以學習有限元軟件的英文也成了熟練運用該軟件的基礎和關鍵。在大三的時候，我們初步學了Patran軟件的使用，也了解了

120、一些基本的命令，這也為這次的畢業(yè)設計打下了一定的基礎。在這畢業(yè)設計開始前，我又通過一些視屏和書籍以及同學的幫助對Patran軟件進行了深一步的學習，大概地了解了一些運用于導管架式海洋平臺強度分析的的主要命令，例如如何建模、布種子、布導管、加載、分工況、分析、讀圖、出圖等。所以在之后的設計中我基本可以運用該軟件對平臺進行強度分析，保證了本次畢業(yè)設計的按時進行和完成。平臺的設計過程就是一個方案預設、建立模型、強度校核、結構優(yōu)化、最終尺定的過