Ледостойких стаціонарна платформа (ЛСП) складне просторове споруда, що складається з нижніх понтонів, колон, льодового огорожі, розкосів і верхнього корпусу. утримують палі, колони і їх перетину змодельовані наборами лінійних кінцевих елементів типу BAR, а коробчаті конструкції понтонів і верхнього корпусу двовимірними кінцевими елементами типу PLATE. На основних етапах удосконалення кінцево-елементної моделі (КЕМ) вводилися елементи типу RIGID і ROD. Всі побудови моделей і розгляд результатів виконували в пре-постпроцесорі FEMAP. Розрахунки проводили за програмою MSC.NASTRAN. Отримано дані по частотах власних коливань конструкції платформи в площинах вигину і крутіння. Результати аналізу власних коливань початкового варіанту моделі дозволили намітити план її доопрацювання. Виконано частотний аналіз декількох варіантів КЕМ, який виявив особливості частотного гармонійного відгуку (Переміщень, прискорень, силових характеристик) ЛСП при її різному закріпленні на грунт. Бібліогр. 1. Іл. 4.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Мишич Олександр Іванович, Круглов Олександр Анатолійович


DYNAMICS ANALYSIS OF A SLEETPROOF STATIONARY PLATFORM IN THE SYSTEM FEMAP-NASTRAN BY FINITE ELEMENTS METHOD

A sleetproof stationary platform is a complex spatial construction consisting of bottom pontoons, columns, ice protection, angle braces and upper hull. Holding piles, columns and their sections are simulated by sets of linear final elements such as BAR, and box-shaped designs of pontoons, and upper hull by two-dimensional final elements such as PLATE. Elements such as RIGID and ROD were entered at the basic stages of the improvement of the final element model. All the constructions of models were carried out in pre-postprocessor FEMAP, as well as the consideration of results. Calculations were carried out under the program MSC.NASTRAN. The data on frequencies of own fluctuations of platforms in planes of bending and torsion are received. The results of the analysis of own fluctuations of an initial variant of the model have allowed planning its completion. The frequency analysis of several variants of the final element model is executed, which has revealed features of frequency harmonic response (Displacements, acceleration, force characteristics) of a sleetproof stationary platform at its various fastening into the ground.


Область наук:

  • Будівництво та архітектура

  • Рік видавництва: 2008


    Журнал: Вісник Астраханського державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'Аналіз динаміки ледостойкой стаціонарної платформи методом кінцевих елементів в системі Femap-NASTRAN'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз динаміки ледостойкой стаціонарної платформи методом кінцевих елементів в системі Femap-NASTRAN»

    ?УДК 629: 004.4

    А. І. Мишич, А. А. Круглов

    Аналіз динаміки ледостойких СТАЦІОНАРНОЇ ПЛАТФОРМИ МЕТОДОМ КОНЕЧНИ1Х ЕЛЕМЕНТІВ В СИСТЕМІ FEMAP-NASTRAN

    Вступ

    Проектування нефтегазопромислових споруд, призначених для розвідки і освоєння покладів вуглеводневої сировини на морському шельфі, вимагає опрацювання питань динаміки і міцності ледостойких стаціонарних платформ (ЛСП), зокрема аналізу їх сейсмостійкості.

    Конструкції ЛСП, використовувані на мілководній шельфі, зазвичай складаються з двох водо-ізмещающіх понтонів, шести стабілізуючих колон і верхнього корпусу з приміщеннями різного призначення. Жорсткість конструкції платформи забезпечується системою розкосів і льодовим огорожею.

    При аналізі динамічної поведінки ЛСП, наприклад, під час землетрусу, необхідно спостерігати напружено-деформований стан (НДС) такого складного споруди в цілому. Таку можливість надають сучасні CAE-системи.

    Частотний аналіз, дослідження перехідних процесів і рішення інших задач динаміки конструкції неможливі без розрахунку її власних коливань. При цьому розрахункові моделі повинні відображати масові та жорсткісні характеристики конструкції. Саме з таких позицій нами були реалізовані побудова серії конечноелементних моделей (КЕМ) і відповідні чисельні експерименти.

    Розробка конечноелементной моделі

    Ледостойких стаціонарна платформа являє собою складне просторове спорудження, основними елементами якого є палі, понтони, колони, льодове огорожу, розкоси і власне платформа.

    Палі жорстко кріпляться до понтонах і являють собою систему сталевих циліндричних труб діаметром близько 1,5 м. Понтони мають прямокутний поперечний переріз з округленими кутами. Кожен понтон має одну поздовжню і п'ять поперечних перегородок. Розміри поперечного перерізу понтонів Вп х Нп = 15,0 х 6,0 м. Колони діаметром 10 м по висоті розділені двома водонепроникними діафрагмами на три відсіки. Вертикальний набір і обшивка колон виконані змінними по висоті. Платформа розмірами L х B х H = 60 х 50 х 6 м розділена на відсіки двома поздовжніми і п'ятьма поперечними перегородками. Розкоси - похилі і горизонтальні - мають трубчастий перетин діаметром від 1,5 до 2,5 м.

    Структура КЕМ повинна відповідати умовам розв'язуваної задачі, і при аналізі власних коливань істотним є облік жорсткостей елементів конструкцій і їх мас. Приймемо деякі усереднені властивості елементів конструкції ЛСП. Палі, колони і їх перетину змоделюємо наборами лінійних кінцевих елементів (КЕ) типу BAR, а коробчаті конструкції понтонів, льодового огорожі і платформи - двовимірними СЕ типу PLATE. В результаті отримаємо КЕМ, що складається з 8 453 КЕ і 7 458 вузлів .

    Однією з цілей аналізу було виявлення ефектів динамічної поведінки від введення в конструкцію елементів, які з тих чи інших причин присутні в її складі і працюють спільно, тому нами було реалізовано поетапна побудова КЕМ. Результати аналізу власних коливань початкового варіанту моделі (табл. 1) дозволили намітити план її доопрацювання. Основні етапи цього плану полягали в наступному.

    По-перше, був проведений облік фактично реалізованих ліній контакту стабілізуючих колон з платформою і понтонами (введені Rigid-КЕ), що, як випливає з табл. 1, призвело до збільшення частоти власних коливань для всіх 3-х перших форм більш ніж на порядок.

    По-друге, були введені площині льодового огорожі (ЛО). Це призвело до помітного збільшення частоти для 2-й і 3-й форм і до несуттєвому зміни частоти 1-й форми.

    По-третє, були враховані зв'язки між понтонами і ЛО у вигляді горизонтальних розкосів, причому горизонтальні розкоси моделювалися КЕ двох видів: Rod-КЕ і Bar-КЕ.

    Таблиця 1

    Частота власних коливань за першими модам для різних варіантів КЕМ (довжина палі Н = 30 м, закріплення: жорстке закладення нижнього краю)

    Варіант конструкції Частота коливань, Гц

    ЛСП по 1-й формі (площину) по 2-й формі (площину) по 3-й формі (площину)

    ВИХІДНИЙ: платформа, колони, понтони, палі 0,015 (ZY) 0,018 (ZX) 0,022 (XY)

    УДОСКОНАЛЕНИЙ: 0,53 (ZY) 0,58 (ZX) 0,73 (XY)

    платформа, колони (введені Rigid-КЕ), понтони, палі

    ЛСП з ЛО 0,57 0,86 1,01

    (ZY) (ZX) (XY)

    ЛСП з горизонтальними розкосами: Rod-КЕ / Ваг-КЕ 0,57 / - (ZY) 1,02 / 0,85 (ZX) 1,03 / 1,06 XY)

    ЛСП з горизонтальними раскоса-

    ми і похилими розкосами: CONNECT ЛО і похилі 0,533 / 0,571 (ZY) 0,806 / 0,827 (ZX) 1,164 / 1,115 (XY)

    розкоси / «косинки» в колонах і ЛО

    Розрахунки МСЕ проводили за допомогою САЕ-системи пре-постпроцесора FEMAP і решателя MSC.NASTrAn.

    В основу розрахунків покладено чисельне рішення рівняння лінійної теорії коливань

    Е Е 2

    [K] {5} + [С] - {5} + [M1-2- {5} + {F (t)} = 0,

    Еt Ег

    де [K], [З] і [M] - матриці жорсткості, демпфірування і мас; {5} - вектор переміщень, {F (t)} - ​​вектор зовнішніх сил.

    2. Результати розрахунку

    2.1. Розрахунок власних частот

    Аналіз власних частот цих варіантів КЕМ ЛСП показує (табл. 1), що розгляд динамічної поведінки конструкції навіть в першому наближенні має сенс лише при введенні в КЕМ похилих розкосів - поперечних і поздовжніх. Це було зроблено шляхом введення лінійних СЕ типу BAR з трубчастим перетином 20 x 1 550 мм для поперечних розкосів і 16 x 1 550 мм - для поздовжніх. Тепер КЕМ відбила всі основні елементи конструкції ЛСП, які слід врахувати при аналізі динаміки, за винятком вишки і подробиць конструкції платформи; її вид показаний на рис. 1.

    Мал. 1. Конечноелементная модель ЛСП

    З аналізу спектру частот було видно, що пластини ЛО (з урахуванням їх підкріплень горизонтальними балками перетину 40 х 40 мм і жорсткими вертикальними підпорами) не мають достатньої жорсткості. Їх доцільно пов'язати з розкосами, що і було зроблено за допомогою рівнянь зв'язку Connection Equation.

    Це призвело до зменшення коливань пластин ЛО, але цей варіант КЕМ розглядався як проміжний, оскільки ЛО за кресленням кріпилося до колон за допомогою наборів трикутних пластин - «косинок». Ці набори були представлені в остаточній редакції КЕМ за допомогою Rigid-КЕ.

    Аналіз результатів, представлених в табл. 1, показує, що введення розкосів, як горизонтальних, так і похилих, призводить до незначних змін частоти власних коливань за першими трьома модам, причому власна частота по 2-й моді зменшується (0,86 / 0,827), по 3-й - збільшується (1,01 / 1,115).

    Про вплив граничних умов в палях ЛСП на частоту власних коливань КЕМ можна судити за результатами в табл. 2.

    Таблиця 2

    Залежність частоти власних коливань ЛСП від умов закріплення паль

    Висота палі H, м Умови закріплення Варіант конструкції ЛСП Частота коливань, Гц

    30 Жорстка закладення краю ЛСП з розкосами (горизонтальними і похилими), «косинки» в колонах і ЛО 0,571 (ZY) 0,827 (ZX) 1,115 (XY)

    30 Шарнірне закріплення нижнього краю 0,284 (ZY) 0,445 (ZX) 0,564 (XY)

    Заміна жорсткої закладення нижнього краю паль на їх шарнірне закріплення зменшує власну частоту КЕМ по всім трьом формам вдвічі.

    2.2. Частотний аналіз ЛСП

    Переважною метою аналізу було визначення небезпечних частот. Отримані значення ПДВ є довідковими і лише змушують звернути увагу на ті зони конструкції, які уразливі при сейсміці.

    Виявлення небезпечних з точки зору динамічного впливу зон конструкції ЛСП проведемо за допомогою сейсмічного збудження спеціальної маси при використанні модального методу [1].

    Напрямок сили F (freq) спочатку задамо як поперечне:

    F (freq) = FY • f

    де FY = n • ZMass • g; n = 0,1 (відповідає землетрусу магнітудою 7 балів); g = 9,81 м / с2; ZMass = k • Mass, k = 1106 - коефіцієнт; Mass - маса ЛСП; f - функціональна залежність сили F від частоти; вважатимемо величину f = 1 у всьому досліджуваному діапазоні частот.

    Рівень демпфірування будемо вважати відповідним звичайним будівельним металоконструкцій - 5% у всьому діапазоні частот.

    Результати розрахунків різноманітні і значні обсягом. Їх складно представляти і сприймати за відсутності просторової кольоровий анімації, тому обмежимося найбільш важливими, на наш погляд, даними численних експериментів.

    Переміщення і прискорення. Аналіз результатів проводили побудовою графіків переміщень TY, прискорень AY, AZ в функції частот гармонійних впливів.

    Для розуміння глобальних зсувів і прискорень ЛСП відгук представлений для вузлів, які розташовані в верхніх кутових точках понтона (вузли 2303 і 3522), верхній кутовий (вузол 6038) і середній точці верхнього ребра платформи (вузол 5627).

    Найбільші значення переміщень і прискорень цих вузлів для різних варіантів КЕМ і граничних умов (із зазначенням в знаменнику частоти сейсмічного впливу) наведені в табл. 3.

    Таблиця 3

    Переміщення, прискорення і частоти

    Висота палі Н, м Спосіб закріплення нижнього краю палі Переміщення TY, мм Прискорення, м / с2

    AY AZ

    Понтон Платформа понтон Платформа понтон Платформа

    30 Жорстка закладення 24,4 15,9 0,226 0,164 0,308 0,308

    0,473 0,473 0,660 0,722 0,658 0,658

    15 Шарнірне 36,3 12,5 0,339 0,154 0,379 0,375

    0,473 0,473 0,660 0,730 0,660 0,660

    30 Шарнірне 91,2 59,2 1,789 0,796 2,447 2,447

    0,256 0,256 0,839 0,839 0,839 0,839

    15 Жорстка закладення 35,9 12,6 0,327 0,150 0,376 0,376

    0,473 0,473 0,660 0,722 0,731 0,731

    Згадані вище графіки прискорень AZ вузлів понтона і платформи для серії частот показані на рис. 2.

    TY (f)

    0,473; 0,0359

    0,00413

    -0,00176

    °, ° 159 '0,473; 0,0126 0,01

    0,383

    0,59

    0,797

    1,004

    1,328; 0,0044 1,328; 0,00182 '1,211 1,418

    Set Value

    1: T2 Translation, Node 6038 2: T2 Translation, Node 2303 3: T2 Translation, Node 5627

    AYf

    Set Value

    1: T2 Acceleration, Node 6038 2: T2 Acceleration, Node 2303 3: T2 Acceleration, Node 5627

    Мал. 2. Графіки переміщень TY і прискорень AY в функції частот гармонійних впливів. Перші цифри - значення частот; другі - величини прискорень

    З результатів, представлених в табл. 3, слід:

    1) для всіх варіантів КЕМ переміщення понтона в напрямку впливу, що обурює більше, ніж переміщення платформи;

    2) для всіх варіантів КЕМ прискорення AZ вузлів більше, ніж прискорення AY, причому:

    - ставлення AZ / AY для вузлів платформи більше, ніж для вузлів понтона;

    - ставлення AZ / AY для вузлів понтона не залежить від умов закріплення нижнього краю паль;

    - ставлення AZ / AY, а також переміщення TY вузлів понтона і платформи для КЕМ з висотою паль Н = 15 м однакові, т. Е. Теж не залежать від умов закріплення нижнього краю паль;

    3) кінематичні характеристики вузлів понтона і платформи для КЕМ з висотою паль Н = 30 м з шарнірним закріпленням нижнього краю дуже близькі аналогічним характеристикам для КЕМ, що має палі заввишки Н = 15 м при жорсткому закладанні їх нижнього краю.

    Силові характеристики. Для зручності розгляду представимо дані по окремим групам: розкоси, пластини ЛО і платформи, колони, палі. Будемо мати на увазі, що наведені нижче значення компонент ПДВ слід сприймати як довідкові або наближені. Поля і епюри напружень дозволяють судити про небезпечні зони, а також порівнювати варіанти конструкцій, оцінювати ефективність і целенаправляющей пошук найкращих можливих рішень.

    Загальна картина деформування КЕМ при поперечному сейсмічній дії показана на рис. 3. Найбільші переміщення підстави паль складають 0,11 м і реалізуються при f = 0,473 Гц. Тут же представлено розподіл в КЕМ ЛСП дотичних напружень т ^ на зовнішніх поверхнях пластин платформи і ЛО. Як видно з рис. 3, максимальна величина дотичних напружень не перевищує 1,86 МПа.

    V1

    L1

    C1

    X

    Output Set: Case 1 Freq 0, 47293 Deformed (0, 111): T2 Translation Contour: Plate Top XY Shear Stress

    1858305

    1672474

    1.86E-7

    Мал. 3. Розподіл дотичних напружень в КЕМ ЛСП, що відповідає значенню частоти 0,473 Гц

    Аналогічним чином, з використанням засобів постпроцесора шляхом побудови графіків, епюр і полів напружень, було досліджено поведінку всіх конструктивних елементів ЛСП. Так, на рис. 4 представлений графік залежності згинальних напружень сх і су в поздовжніх розкосах від частоти впливу, що обурює. Перші цифри на кривих відповідають значенням частоти, другі - це величини напруг вигину в площині і з площини розкосів.

    6,8851E + 4-5,6946Е + 4-4,5042Е + 4-3,3137Е + 4-2,1233Е + 4-9.3281Е + 3 (

    0,473; 13834 0,473; 6781

    -2,5764Е + 3 0,473; 3622

    0,439 0,517

    0,596

    0,674

    0,752

    0,831 Set Value

    1: Bar EndA Pt1 Bend Stress, Element 7878 2: Bar EndA Pt2 Bend Stress, Element 7878 3: Bar EndA Pt1 Bend Stress, Element 7932 4: Bar EndA Pt2 Bend Stress, Element 7932

    Мал. 4. Залежності згинальних напружень в поздовжніх розкосах від частоти впливу, що обурює

    Максимальні значення напруг і осьових сил для елементів конструкції ЛСП (із зазначенням частоти сейсмічного впливу) наведені в табл. 4.

    Таблиця 4

    Максимальні значення силових характеристик в елементах конструкції ЛСП

    Висота палі Н, м Спосіб закріплення нижнього краю палі Силова характе ристика

    Sx в поперечному розкосі, МПа Sy в поздовжньому розкосі, МПа Осьова сила в горизонтальному розкосі, Н Sx в колонах, МПа Sx в палях, МПа Sy в палях, МПа

    30 Жорстка закладення 0,04 0,06 3196 0,04 0,89 0,414

    0,687 0,691 0,473 0,473 0,473 0,473

    30 Шарнірне 2,71 2,07 56567 4,54 14,54 121,23

    0,839 0,839 0,839 0,839 0,839 0,839

    15 Жорстка закладення 0,03 0,08 15176 0,21 0,48 2,14

    0,687 0,691 0,888 0,691 0,693 0,691

    15 Шарнірне 0,10 0,12 21353 0,25 1,18 5,67

    0,687 0,687 0,888 0,687 0,687 0,687

    Аналіз результатів, представлених в табл. 4, показує, що:

    1) загальний рівень напруженого стану низький, виключаючи палі (Н = 30 м, шарнірне закріплення);

    2) перехід від шарнірного закріплення паль до закладення призводить до зниження силових характеристик елементів ЛСП, причому ступінь цього зниження зменшується зі зменшенням висоти паль;

    3) якщо зменшення висоти паль з шарнірним обпиранням їх нижнього краю призводить до істотного зниження (в основному на порядок) силових характеристик елементів ЛСП, то зменшення висоти паль з жорсткою закладенням нижнього краю призводить до підвищення рівня напруженого стану (хоча і в меншій мірі), а осьова сила в горизонтальних розкосах збільшується в 5 разів.

    Розроблена КЕМ не передбачала детальний аналіз ПДВ в елементах ЛО і платформи. Тут оцінювалися небезпечні зони конструкції при сейсмічній дії з тим, щоб при подальшому вдосконаленні КЕМ звернути увагу на їх ретельне опрацювання.

    висновки

    1. Побудована КЕМ ЛСП для аналізу сейсмічних впливів в найбільш небезпечному напрямку.

    2. Методом кінцевих елементів в CAE FEMAP-NASTRAN виконані серії чисельних експериментів, які показали особливості власних коливань і частотного гармонійного відгуку ЛСП при її різному кріпленні на грунт.

    3. Загальний рівень ПДВ елементів КЕМ ЛСП низький.

    4. Прискорення AZ елементів понтонів і платформи в 1,5-2 рази більше прискорень AY цих елементів.

    Список використаної літератури 1. MSC. NASTRAN 2004. Basic Dynamics Analylsis.

    Стаття надійшла до редакції 18.07.2008

    DYNAMICS ANALYSIS OF A SLEETPROOF STATIONARY PLATFORM IN THE SYSTEM FEMAP-NASTRAN BY FINITE ELEMENTS METHOD

    A. I. Mishichev, A. A. Kruglov

    A sleetproof stationary platform is a complex spatial construction consisting of bottom pontoons, columns, ice protection, angle braces and upper hull. Holding piles, columns and their sections are simulated by sets of linear final elements such as BAR, and box-shaped designs of pontoons, and upper hull -by two-dimensional final elements such as PLATE. Elements such as RIGID and ROD were entered at the basic stages of the improvement of the final element model. All the constructions of models were carried out in pre-postprocessor FEMAP, as well as the consideration of results. Calculations were carried out under the program MSC.NASTRAN. The data on frequencies of own fluctuations of platforms in planes of bending and torsion are received. The results of the analysis of own fluctuations of an initial variant of the model have allowed planning its completion. The frequency analysis of several variants of the final element model is executed, which has revealed features of frequency harmonic response (displacements, acceleration, force characteristics) of a sleetproof stationary platform at its various fastening into the ground.

    Key words: sleetproof stationary platform, piles, final element model, frequency harmonic response.


    Ключові слова: Ледостойких СТАЦІОНАРНА ПЛАТФОРМА /палі /КОНЕЧНОЕЛЕМЕНТНАЯ МОДЕЛЬ /ЧАСТОТНИЙ гармонійний відгук /SLEETPROOF STATIONARY PLATFORM /PILES /FINAL ELEMENT MODEL /FREQUENCY HARMONIC RESPONSE

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити