锥体导管架海洋平台冰激振动的DEM-FEM耦合分析及高性能算法

在寒区海域,冰荷载是影响海洋平台安全运行的主要环境荷载之一,由其引起的冰激振动给平台结构及其上部设备带来了严重危害。为分析不同冰况下平台的振动响应,本文建立了导管架海洋平台冰激振动的离散元（DEM）-有限元（FEM）耦合模型。采用具有黏接-破碎性能的等粒径球体离散单元对海冰的破碎特性进行模拟,通过由梁单元构建的海洋平台有限元模型获得结构的振动响应。在离散元与有限元的接触区域中实现了两个模型间计算参数的传递。为提高该耦合模型的计算效率和规模,发展了基于动力子结构方法的DEM-FEM耦合模型。为验证该耦合模型的有效性和可行性,将不同冰况下得到的冰荷载与ISO19906和JTS 144-1-2010标准进行了对比。结果表明,计算得到的冰荷载与标准相近,且冰厚与冰荷载呈二次非线性关系。同时,从冰速和冰厚两方面对比了渤海四桩腿JZ20-2 MUQ锥体导管架平台冰激振动加速度的数值结果和现场实测数据,发现冰速与振动加速度呈线性关系,冰厚与振动加速度呈二次非线性关系,并且振动加速度与冰速和冰厚平方的乘积呈线性关系。     

抗冰导管架平台动力特性分析

目前的抗冰导管架平台结构设计主要是考虑极限冰力引起的破坏,尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了更好研究冰荷载、冰激振动机理以及提出合理的概念设计,冰荷载下抗冰导管架结构的动力特性分析是十分必要的。基于现场冰与导管架结构相互作用的多年观测以及数值模拟研究,分析渤海辽东湾典型导管架结构在交变冰力作用下的动力特性,提出了适于冰荷载研究与抗冰导管架结构概念设计、分析的简化力学模型,解释柔性抗冰导管架结构动力效应显著的原因。     

自升式平台冰激动力响应分析

应用ANSYS软件建立了平台和冰相互作用的有限元模型,构建了自升式平台的冰激振动模型,并计算基于2种冰力模型的自升式平台的动力响应。此动力分析方法具有建模方便和计算精度高的特点。以某自升式平台为例,计算了冰和平台结构相互作用的耦合效应,为自升式平台冰激振动安全评估提供了参考依据。     

海上风电单桩式支撑结构冰激振动及参数敏感性分析

针对渤海湾某风电场的海上固定式风机支撑结构,采用适用于大直径单桩结构的PSI曲线模拟桩土相互作用,并采用SACS软件建立支撑结构的动力分析模型。首先对支撑结构进行模态分析;其次考虑海冰结构的随机振动作用模式,根据适用于渤海湾的随机冰力谱构造随机冰载荷时程曲线,基于半耦合的时域方法,采用SACS软件对支撑结构进行冰激振动分析,输出塔筒顶部加速度、单桩基底剪力及倾覆力矩等响应参数的时程曲线和响应功率谱;最后针对冰厚、冰速和海冰强度等海冰参数对支撑结构的冰激振动进行敏感性分析。研究结果表明,在随机振动模式下,冰载荷及结构动力响应对冰厚和海冰强度较为敏感,在进行冰激振动分析时应合理确定冰厚和海冰强度等参数。     

冰激振动及冰荷载动力特性的试验研究

回顾了解决海冰引起结构振动分析方法的要求，通过室内冰力模型试验得出了冰激振动的重要参数－冰力频率，幅值的特性。研究表明，在低冰速时，冰力频率与冰速对冰厚之比呈线性关系；高冰速时，冰力步与冰速对冰厚之比呈现恒定性，文章还根据试验数据以及统计分析，推荐了冰力幅值计算公式和取值范围。     

冰激锥体振动物理模拟实验

应用DUT 1非冻结可破碎模型冰进行冰激锥体振动模拟实验的实验设备和模型的设计 ,给出了低冰速和高冰速两种情况下的结构位移曲线、冰力曲线及其幅值谱分析结果 ,得出了结构卓越频率和冰速与特征长度之比的关系 ,发现冰激锥体振动同冰激柱体振动一样有“频率锁定”现象。将实验结果与已有的冰排与圆柱相互作用实验结果进行比较 ,发现冰激锥体振动和冰激柱体振动有着相似的机理     

基于黏聚单元法的抗冰海洋平台与层冰相互作用数值模拟

通过商业有限元软件LS-DYNA采用黏聚单元法模拟层冰的断裂问题,在IIHR冰池模型试验相同缩尺比参数下对KULLUK抗冰平台受到的冰力进行数值计算,探究冰厚与冰速等冰况参数对平台冰力的影响。计算结果表明,在极地作业平台主要遭遇北极海域冰况范围下,相同冰厚情况时冰速变化对倒锥形结构平台的横向冰力影响不大,而同冰速时冰力随着冰厚的增加接近线性增加。同时将计算所得结果与同条件下IIHR冰池模型试验数据、ARCTEC、ACL非冻结模型冰试验数据、实船数据和通过ISO19906规范中提供的针对大锥面结构受到层冰冰力的经验公式计算所得数据等进行了对比,验证了选用冰参数的可靠性以及该数值模型在模拟大尺度宽锥形平台遭受层冰作用问题中的适用性。     

基于实测动冰力时程的海洋平台结构冰振反应分析

冰激平台结构振动是影响渤海石油钻采平台冬季正常生产和安全的主要因素。本文采用实测冰压力时程,对渤海辽东湾北部的ＪＺ２０－２ＭＵＱ平台结构进行了冰振反应分析,计算了不同设计冰厚、不同冰作用方向和标高及平台桩腿有无正倒锥体（一种破冰装置）的结构反应,探讨了正倒锥体对减轻冰力和结构反应的作用,发现了结构冰激振动的一些特征,为在该平台上实施振动控制方案提供了依据     

多桩锥体海洋平台结构冰荷载遮蔽效应离散元分析

在海冰与多桩锥体海洋平台结构的相互作用中,平台结构总冰力在海冰流向和桩腿方位的影响下呈现出显著的遮蔽效应。采用具有粘结-破碎效应的离散元方法,基于GPU并行的高性能计算,对不同冰向下锥体海洋平台结构的冰荷载进行了数值分析,确定了不同冰向下平台结构各桩腿的冰力衰减系数并分析了总冰力的遮蔽效应。最后,对自由边界影响下多桩平台结构冰荷载遮蔽效应的产生机理进行了讨论。本文工作可为多桩腿平台结构的冰荷载特性、冰激结构振动以及冰区结构设计提供参考。     

冰区自升式平台桩腿动强度的安全评估

应用ANSYS软件建立了自升式平台和冰相互作用的数学仿真模型,对自升式平台进行了动力分析和桩腿的极限强度和疲劳强度校核。应用本模型对渤海某自升式平台桩腿进行的强度校核和不同海冰参数下平台桩腿的冰激疲劳损伤实例分析表明,本文的研究结果为自升式平台冰激疲劳设计提供了一个有效的方法,并为自升式平台在冰区的使用提供了依据。     

导管架平台安装锥体降低冰振效果研究

冰荷载是寒区海洋结构的控制荷载.在圆柱结构上安装锥体用以降低极值冰力,这一概念已得到理论与模型实验的验证,但是安装锥体对降低结构冰激振动的效果还没有得到充分论证.首先分析和比较了圆柱结构和加锥结构的交变冰力与冰振响应形式.基于现场原型监测系统的实测数据,无论是圆柱结构和加锥结构都能发生强烈的冰激振动,圆柱结构上的稳态冰激振动最为严重.通过一座单腿圆柱结构加装锥体前后的冰振响应监测和分析,得到安装破冰锥体对降低冰振的实际效果.理论分析和实测数据表明,破冰锥体从根本上避免了冰激结构稳态振动的发生.     

局地海冰数值预测的冰激结构响应计算

在渤海海冰数值预测的基础上，通过渤海海冰的热力—动力模型，对油气作业区的冰厚、冰速、冰温等海冰参数进行短期数值预测，并以此对海冰的盐度、卤水体积、弯曲强度等海冰物理力学参数进行推算，进而对冰激平台结构响应进行计算分析。以辽东湾JZ20-2油气田的MUQ平台为例，对1999／2000年冬季的冰激结构振动响应进行了预测，其结果与实测情况较为吻合。     

渤海导管架平台的冰激振动响应分析

为研究渤海海域海冰撞击导管架海洋平台的冰振响应,基于锥体冰力函数,本文建立了渤海海域的冰力作用模型。采用ANSYS有限元软件对导管架平台与海冰的相互作用进行数值模拟,开展了海冰作用下抗冰平台的静力分析及平台动力响应分析。通过与静力分析结果对比,验证了动冰力对结构响应的动力放大效应。在此基础上通过改变冰厚、冰速等海冰参数,研究了不同冰力作用周期下导管架平台的冰振响应。研究表明,海冰厚度及海冰流动速度是影响平台动力响应的主要因素,为导管架平台结构的动力优化设计提供了研究基础。     

冰激直立腿海洋平台疲劳寿命分析

由于渤海特殊环境条件与油藏分布决定了该海域导管架油气平台属于典型的柔性抗冰结构。多年现场观测发现,该类结构存在显著的冰激振动现象。冰振不仅能激起较大的甲板加速度响应,还会引起明显的导管架管节点交变应力。在结构设计与安全保障中进行疲劳分析及寿命估计是必要的。对于直立腿抗冰结构,精确的冰激疲劳寿命计算方法还不成熟。基于多年的现场监测,首先分析了冰与直立腿抗冰结构相互作用过程;其次,提出了冰激直立腿平台的疲劳寿命分析流程;最后,选取渤海某典型直立腿平台,利用ANSYS数值模拟,对比了稳态冰力和随机冰力下结构的疲劳损伤,进而计算出疲劳寿命。本研究为寒区柔性结构抗冰设计与安全保障提供了理论基础。     

海上风电大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能研究

文章以大连庄河临近的渤海海域为例,基于SACS模型研究大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能。研究结果表明：在静冰力方面,根据不同规范推荐公式设计的大直径单桩基础材料的用量可相差约10%;在动冰力方面,在不同冰速和冰厚的组合工况下,低冰速和大冰厚作用下的大直径单桩基础结构更易产生持续振动。     

锥体导管架海洋平台冰激结构振动响应分析

渤海冰区油气开发中,在桩腿上安装抗冰锥体的导管架平台是最常见的结构形式.冰激结构振动不仅会造成平台结构的损伤,还将对平台上部管线和设备的安全运行构成极大的威胁,并影响平台作业人员的正常生活和生产操作.针对渤海冰区锥体平台结构冰激振动响应的三种计算方法进行了研究,即平台结构的有限元分析、简化的结构动力分析和冰振响应幅值统计分析.以辽东湾JZ20-2油气田的MUQ平台为例,对以上三种冰振响应计算方法进行对比,以讨论它们的一致性和各自的适用条件.结果表明,这三种分析方法的计算结果基本一致,但有些计算参数需要现场实测资料的确定.     

冰激结构振动的非线性分析

冰对结构的作用表现为冰的变形和破碎两个阶段,具有间隙非线性特性.考虑到这个特性,我们利用非线性分析方法建立了非线性的冰-结构相互作用的动力学模型,从理论上阐明,冰激柔性结构的振动是一种多频干扰、自激和强迫的耦合振动系统,并研究了试验中观察到的锁频现象的机理.本文得到的冰力计算公式可用于海洋工程结构的设计计算.     

抗冰导管架平台冰激疲劳寿命估计

基于安全寿命设计理论,论述了抗冰平台冰激疲劳寿命估计的方法,给出了谱分析和时间域分析方法的内容和流程,其中疲劳冰荷载和冰疲劳环境模型是冰激疲劳估计的两个关键问题。基于渤海冰情和冰荷载连续多年现场观测数据,初步建立了渤海JZ20-2海域海冰疲劳环境模型和锥体结构冰力谱,并利用谱分析方法,对新建的JZ20-2NW平台进行了详细冰激疲劳估计。此方法对抗冰平台的安全评估与动力分析具有一定的借鉴意义。     

渤海抗冰导管架平台失效模式分析

基于多个现役结构的监测数据,对渤海抗冰导管架平台的动力失效进行了分析。结果显示,渤海抗冰导管架平台属于典型的柔性抗冰结构,存在比较显著的冰激振动现象,冰振不仅能引起显著的导管架管结点疲劳应力,还会激起较大的甲板加速度响应,引起作业人员与上部设施的疲劳问题。     

基于三维约束NewWave理论的自升式钻井平台动力响应分析

以某122 m自升式钻井平台为分析对象,建立其有限元模型,包括材料非线性、几何非线性以及桩土非线性相互作用,在风浪流作用下,基于三维约束New Wave理论对自升式钻井平台的动态响应进行分析,研究海洋波浪方向传播特性和随机特性对平台动力响应的影响。在建立模型中实现风暴工况下水面高程和水粒子运动的描述,响应结果按甲板位移进行对比。结果表明,相比其它波浪理论,三维约束New Wave理论在平台动力响应分析中体现了一定的优越性,不仅能较准确地反映波浪的真实特性,而且能确保结构性能评估的安全性和合理性。