自升式平台关于海流-结构-土壤响应分析在三维模型方面的进展外文翻译资料

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自升式平台关于海流-结构-土壤响应分析在三维模型方面的进展

B. Bienen, M.J. Cassidy

摘要

　　在恶劣的海况下，移动自升式钻井平台的操作运行需要提高他们在风暴载荷条件下的行为方式的理解，并且运用相匹配的数字仿真工具去评定在特殊情况下的稳定性。这篇文章介绍了数字程序SOS-3D，此程序对结合结构的三个部分赋予了适当的模型，例如土壤和自升式海上平台结构的环境载荷。这个程序为了三维分析而编写，并且提供了一个综合的方式对于海流-结构-土壤响应分析的内在响应方面。在应用程序中,对一个自升式平台受对称算法和非对称加载情况的结果事例进行比较进行了讨论。准静态推倒分析被用于描述三维的自升式操作。此外,在动态波加载条件加载分析,在风暴载荷环境下的自升式结构响应被预测，这展示了三维动态仿真的必要性,也强调了基于塑性理论使用合力地基模型的优势。

关键词：“流-结构-土壤”响应，自升式平台，浅层地基，土壤塑性

1.引言

自升式平台最初设计用于在浅水区。然而使用这种类型的单位全年钻井在更深的水和严厉环境条件下的趋势正在继续[1]。由于岩土工程和结构的缺乏，事故发生率保持较高[2],存在扩张的欲望去理他们的愿望在现实的加载条件下的行为。

自升式平台代表了一类的离岸结构，他们的分离环境载荷、结构和岩土模型组件为单独的传统分析方法证明了在分析全局响应的不足。甚至使用集成,耦合等方法分析“流-结构-土壤”响应，也会在一个或两个领域采用复杂的方法，但在其他的方面设立最简单的假设。通常,钻井平台的上层建筑建立很详细的模型，但是功能条件方面十分简化。然而,所有的模型在“流-结构-土壤”分析应制定出相同的水平。这将服从最合适的预测，伴随被高估的准确性的危险分析结果。

Tomson^[3], Williams^[4]和Martin和Houlsby ^[5]开发了一个计算机项目,结合先进的波浪模型,结构几何非线性基于塑性应变强化的建模和力-结果基础模型理论的桩靴粘土。虽然允许一个集成的和平衡的方法模拟的自升式反应,这个程序仅限于2d分析,结果只加载沿对称轴的平台模拟(如平面框架分析)。3d效果无法模仿。

然而,在三维空间分析自升式行为由于是很重要的以下原因:

1.平台可能没有一个对称轴。另一种可能是钻机对称几何,甚至刚度对称,但随着负载的上部(如钻井设备、季度、停机坪)不均匀分布的轴对称存在，即使有一个对称轴、环境负荷沿着它也不太可能采取行动完成整个平台的部署。此外,风力、波浪和当前的可能不共线但从不同的方向的操作都会有影响。

2.海底表面并不总是水平的。长度之间存在差异的三个腿(会影响基础荷载路径和最终的船体倾斜变位)泥线只能占一个。

3.土壤属性在每个单独的立足点不同,导致桩靴穿透及在立足点之间不同刚度不同,但在两个尺寸之间又不是所有三个桩靴可以区分。条件必须被简化为轴对称分配相同的条件，至少两个立足点。

　　由于这些原因，为实现平衡自升式平台“流-结构-土壤”响应三种评估分析程序维度，压力的模拟需要先进的建模技术。这包括复杂的3d波和基础模型,结合结构模型和整体解决常规非线性动态分析。此摘要介绍了一个上述程序。提出以下是模拟的例子,强调了自升式平台新的三维“流-结构-土壤”响应分析程序的好处。

2.“流-结构-土壤”交互程序SOS_3D

2.1.引言

　　电脑程序SOS_3D(三维模拟海上结构物) 是一种具有分析“流-结构-土壤”响应的能力有限元程序，对海上结构物的分析可以在两个或三个维度内进行。它已经被开发出来,以满足对特定场地评估移动自升式钻井平台的先进的分析工具的需求。然而,其他应用程序存在并且包括对海上风力涡轮机的分析。例如。这个程序采取一个平衡所有三个相互关联的组件结构的方法，使模型的立足点和所有环境载荷的建模变得更为简单。

　　在SOS_3D、动态或准静态模拟系统可以执行的假设表现线性或几何非线性结构。限制可能是自由支持,完全固定端或者使用非线性塑性框架开发的基础模型，后者尤为重要。算法的解决方案选择的是牛顿定律。除非仿真完全线性(线性结构和仿真没有立足点ISIS模型),在每个负载级别上执行迭代。集成方法实现动态分析是隐式和无条件稳定的纽马克恒定的平均加速度”(或纽马克beta;= 4)。

一个系统的有限元表示可以分为的配方质量矩阵[M],阻尼矩阵[C]和刚度矩阵[K],这样一个动态分析问题可以写为方程。

图2.1 SOS_3D符号法则

在一个集成“流-结构-土壤”分析,不仅结构而且基础条件和水动力加载情况也导致这些矩阵。以下部分详述了用于SOS_3D模型。

2.2结构模型

除非自升式的特定部分的详细的响应,如强调的升降系统,结构计算的显式建模不合算。为了获得整个系统的响应,它是足够的(和允许SNAME[6])模型构件的等效梁元素和这里的执行。然而,由于钻井平台的高,相对灵活的腿,几何非线性(PD效果)的影响响应显著(见[7],例如),因此包含在自升式分析。

2.2.1刚度矩阵

数值程序驱动大变形分析的刚度矩阵弹性框架采用Kassimali中对平面问题概述和Kassimali^[8]空间结构和Abbasnia^[9]。Kassimali占帧组成的方法

棱镜的单元,与负载应用于关节。假定负载移动各自的节点结构变形。由于考虑到轴向压力和弯曲弦长，轴向力影响抗弯刚度和单元的变化。在早期的工作[10], 即使在存在大量的变位，这个方法仍显示出高度的准确,。这些程序不包含假设已经超越固有的传统梁柱理论。伯努利理论被引用,假设平面部分保持平面。然而,在SOS_3D扩增的单元末端由于剪切变形也可以旋转考虑。在SOS_3D中不考虑材料非线性,从而限制故障系统的土壤结构的相互作用。

2.2.1.1圆柱形梁公式

如三维梁柱的受力如图2所示，单元的相对变形向量可以写成u＝｛theta;_1z, theta;_2ztheta;_1ytheta;_2ypsi;_t,u/L｝，相连的单元末端受力可写为S=｛M_1z,M_2z,M_1y,M_2y,M_t,QL｝,如图３示。

图2.2 在全局坐标系中梁柱的受力

图2.3 相关杆元变形以及受力

他们之间基于考虑了弹性单元的梁柱理论，给出如下关系，

E是杨氏模量,I_j是转动惯量,L是梁柱的长度,A为横截面积。弹性稳定函数c_1j和c_2j的抗弯刚度的变化由于存在轴向的单元力,因此基于轴向力参数

一个单元被压缩, q_j＞0，给出了稳定功能

对于承受拉力的一个杆件，即q_j＜０，他们变为，

这些表达式与Kassimali^[8]的概述略有不同了,后者使用sin,cos和sinh,cosh作用于psi;_j和c_j。然而,对于大型的psi;_j的双曲正弦值函数趋于无穷。因此,公式包含双曲余切,正如上面给出的,这是首选。它可以表明,这两种不同公式的稳定性函数将产生同样的结果。

　　小轴向力相对于单元的屈曲载荷,稳定功能可能成为数值不稳定[11],因为小挠度计算。为了绕过这个问题,级数表达式是用来确定稳定性和弯曲能力|qj| le;0.01 [8]。

　　扭转刚度与轴向载荷的变化没有被考虑(在自升式分析中并不被认为是有影响力)。自升式平台桩腿的横断面形状被理想化为等效梁，其扭转刚度参数连续，

GJ为扭转刚度

E_q中的c_bj是j轴弯曲变形引起的长度校正因子，依赖弯曲能力b_1j和b_2j^[8]

杆元的正切刚度矩阵在全局坐标系中的估值可从下面公式中得出，

[R]为坐标变换矩阵,[B]说明许多在杆元长度方面的改变，k_local3D局部坐标系中的刚度矩阵，S_K表示杆元末端力的矢量值，S={M_1Z,M_2Z,M_1Y,M_2Y,M_T,Q_L}.[gk]表示几何矩阵，在Kassimali 和 Abbasnia的部分将会有详细介绍。

在非线性分析中,[R]指杆元的是变形的结构,它由节点方向矩阵确定了的节点的变形结构而确定。

这个概念被Oran引入，克服了在3d的大旋转不能视为矢量数量的问题。然而,这个公式是基于假设增量联合旋转无限小,屈服于非正交联合定位矩阵,这可能会导致错误的累加。因此,概述中的更精确的方法在这里被使用。

整个结构的全局结构刚度矩阵由个体杆元刚度矩阵组配而成。

2.2.1.2考虑剪切变形的影响

　　假设平面部分保持为平面,只是常数弯曲力矩的区域是有效的(即在那里没有横向剪切力^[13])。风和波浪载荷引起显著的剪切力在自升式平台桩腿,为了准确的建模这些应该被整合。在自升式平台的二维平面分析中，这些被Martin ^[14]解释,他修改上述方程去逐步渐进的解释剪切力。

这个公式已经扩展到三维分析并实现SOS_3D。唯一的区别是,在三维空间中包括两个角,为了过程更加详细，Martin ^[14]在y方向上需要再一次评估theta;_add，y,这一次在z方向获得theta;_add,z。出于同样的原因,两个剪切参数beta;_s,y,beta;_s,z是必需的。

由于剪切变形导致的杆元末端旋转的增加由以下公式表达，

因为对theta;_1j，theta;_2j的更改，新的稳定性和弯曲能力被要求，

由此可以推导出以下参数，

2.2.2质量矩阵

在SOS_3D中,采用一致质量矩阵(见[15])。旋转惯性效果(梁截面区域的差动位移远离中性轴)被忽略。单元质量矩阵转型为全局坐标系统后，组配为整个结构的全局质量矩阵。

有可能导出一个时变质量矩阵,包括轴向载荷和剪切效应的修正。

然而,准确性的增加会很小，因为质量矩阵仅是由使用形状函数本身派生出的,而不是他们的差异函数,如刚度矩阵公式^[4]。因此,结构质量矩阵在SOS_3D是常数。由于波加载改变引起的相对运动可以改变系统质量矩阵。这在2.4.1节被说明。

2.2.3阻尼矩阵

在非线性结构响应、动态评估中，的一个明晰的阻尼矩阵是必需的。在SOS_3D,使用瑞利阻尼。瑞利阻尼因素、a₀和a₁,由两个联立方程推出，其中阻尼率与两种具体模式由研究者指定。

设置阻尼的两种低模式，在较高的模式呈现阻尼^[16]，这对自升式分析很有用,因为主要的反应在汹浪和摇晃时发生。这是两个最低的模态，所以更大的阻尼更高的模式有助于过滤掉高模式响应。此外,可以看出较低的模式主要由质量比例阻尼和刚度比例阻尼影响。因为结构质量矩阵是不随时间变化，主要是较低的模式。在SOS_3D中，瑞利阻尼矩阵没有随时间步进过程而改变。然而,由于波浪作用引起的相对运动可能会引入额外的水动力阻尼。

2.3固体结构响应模型

准确的基础模型整体自升式响应的预测是至关重要的。基础条件不仅直接的影响船体在leg-hull处的位移和应力,也间接作为立足点固定显著影响动态特性。这是特别重要的在计算自升式平台的海洋环境的自然周期的方法。

基础假设,如固定限制或弹簧简化的基础行为(见(17、18)),对于预测失败或者导致一个非保守的结果是无法做到的。这是2d所示动态分析 ^[4]。此外,几个案例在使用当前的指导方针-SNAME研究时(7.19-21)报道出了比预测更受限的桩靴的结果^[6]。

因此,一个立足点模型,准确地预测桩靴的非线性荷载位移的行为是必需的。

此外,模型需要经过数值模拟分析。合力模型,制定基础交互作为一个宏单元,开发了应变-硬化塑性理论。这些模型可以被常规分析程序执行,拥有着完整的非线性固体立足点行为的优势，可以直接与相连接的点结构单元合并成为一个点单元。这再不需要代表土壤的连续单元和在结构与土壤之间的界面单元。合力模型基于塑性理论成功地应用于模拟监控海上自升式平台相关数据^[22]。

　　合力模型在SOS_3D中实施被称为ISIS(23、24)。他们是基于单表面拉力硬化塑性理论和四个主要特征组件:屈服面、弹性的表示行为,硬化法则,流动法则。一旦建立了屈服面,在这个表面的载荷的任何更改都将假定为完全弹性。当负载状态触动了屈服面，通常是基础进一步渗透进入土壤,导致塑性变形发生,基础能力的增加(扩张的

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