基于ANSYS的导管架平台模态分析.pdf

第8卷第2期南通航运职业技术学院学报Vol．8No．2
2009年6月JOURNALOFNANTONGVOCATIONAL＆TECHNICALSHIPPINGCOLLEGEJun．2009

基于ANSYS的导管架平台模态分析

蔡厚平，谢云飞

（南通航运职业技术学院船舶工程系，江苏南通226010）

摘要：作为海洋油气开发的基础设施，海洋平台的安全性越来越受到人们重视。文章以某导管架平台为例，采用
ANSYS模态分析，获得平台的模态振动规律，最终得出平台各方向的模态规律及薄弱部位。
关键词：导管架平台；ANSYS；模态分析
中图分类号：U674.38文献标识码：A文章编号：1671-9891（2009）02-0056-03

0引言
海洋工程结构包括沿岸结构物和近海结构物两类，实际研究中常指近海结构物，即与海上石油勘探及生
产有关的海上石油钻井平台、生产平台及相关结构。[1]海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础设施，其
技术关系到海上油气资源能否有效利用。
海洋平台长期处于恶劣的海洋环境中，受风、浪、流、冰、地震等自然环境作用，海洋工程结构的研究涉及
结构力学、流体力学、土力学和海洋环境等学科。随着海洋平台的应用深度加大，新型海洋平台的出现，按常
规设计方法计算已不能适应规范要求。ANSYS以其强大的分析计算功能，对海洋平台按规范进行结构静力、
动力、材料非线性和几何非线性分析。[2]
本文以ANSYS8.0为基础，以某导管架平台为例，进行模态分析。
1平台模型及特征参数
1.1平台模型
导管架平台由上层平台结构和下部导管架结构组成，底端通过桩基础固定。上部平台结构包括支撑框架
和甲板，主要提供生产和生活场地，外形为矩形；下部导管架由一系列钢管焊接，主体为6根主导管，以细管
件为撑杆，组成空间塔架结构，桩基础通过主导管插入海底。
1.2平台简化及特性参数
建模过程中对结构适当简化，将平台主体模拟成一层空间钢架，钢架与导管架的联结为固接。平台为全
钢制平台，构件弹性模量EX=2.1×1011PA，泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7800kg/m3。具体特性参数见表
1所示。
2平台模型的建立
2.1平台网格划分
根据所采取的模型，甲板采用SHELL63单元，导管架和上部甲板框架的主要竖向支撑构件采用PIPE16
单元，甲板平面的框架梁离散为BEAM4单元。采用命令流建模，平台模型如图1、图2所示。
2.2边界条件
根据导管架下部桩基础的实际工作状态和受力情况，考虑其下端在海底不能完全固支，计算时在海底土

收稿日期：2008－12－06
基金项目：2008年南通航运职业技术学院科研基金资助项目“基于ANSYS的海洋工程课程教学探索”（项目编号：2008B11）。
作者简介：蔡厚平（1964—），男，江西南昌人，南通航运职业技术学院船舶工程系副教授。
第2期蔡厚平，谢云飞：基于ANSYS的导管架平台模态分析57

层以下3m采用铰接，原理如图3所示。
表1单元类型及特性参数

实常数编号单元类型外径（m）壁厚（m）
1PIPE1620.05
2PIPE1610.03
3PIPE160.80.03
4PIPE160.50.02
截面积A（m2）IZ（m4）IY（m4）高度h（m）宽度b（m）
5BEAM4
0.050.00030.00050.40.2
厚度（Im）厚度J（m）厚度K（m）厚度L（m）
6SHELL63
0.030.030.030.03

图1平台几何线框模型图2平台有限元模型
3平台的模态分析
ANSYS程序在模态分析时将上部重量以质量形式考虑，换算成单位长度附加质量填入BEAM4单元的
实常数表中（换算方法：单位长度附加质量=上部重量线荷载/9.8）,其余荷载均去除。建模后，选择模态分析
类型（modal），同时指定如下相应的分析选项：模态提取方法、提取振型数目、模态扩展数目和质量矩阵形成
方式。最后进行结构自振分析求解，求解步骤完成后可利用后处理功能得到结构自振频率、对应振型及对应
自振周期，同时与波浪振动周期比较。
平台在使用期内面临诸多动荷载，将极大降低平台的安全可靠性。同时由于平台固有频率的存在，各种
动载的激励作用造成平台的振动及其它不利影响，最终导致平台失效。因此对平台固有频率的模态分析是研
究其在动荷载作用下安全性能的重要途径。本文采用模态分析方法，模拟计算平台的固有频率及相关振型。
图4为平台典型的固有频率及相关参数，图5为平台典型的振型图。

图3平台所受位移约束图4平台不同阶次的固有频率
58南通航运职业技术学院学报2009年

一阶模态二阶模态

三阶模态四阶模态

五阶模态六阶模态
图5平台不同阶次的振型图
5平台的谐响应分析
谐响应分析用于分析结构随时间按