基于墨西哥湾一座Truss Spar平台的模态分析

秦 晓 赵胜珠

(山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276006)

基于墨西哥湾一座Truss Spar平台的模态分析

秦 晓 赵胜珠

(山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276006)

结合深海Spar平台的建造特点，应用大型有限元分析软件ANSYS对墨西哥湾的一座深海Truss Spar平台进行建模，模型建立后进行了模态分析，得出了有价值的结论，对实际施工的设计计算有重要意义。

Spar平台，有限元，动力响应，模态分析

深海Spar平台于1987年问世，它是由Edward E.Horton设计的一种在深水环境中进行油气开采的海洋平台，由于其结构形式特别适合于深水作业，所以被公认为现代Spar生产平台的鼻祖。Spar平台的整体结构主要可分为四大系统：平台甲板、平台主体、立管系统和系泊系统[1，2]，本文基于墨西哥湾一座水深1 500 m的典型Truss Spar平台，应用大型有限元软件ANSYS对其按照原有尺寸建立模型，之后进行动力分析之前的必备工作——模态分析。

1 海洋环境条件的选取

本文选取我国“荔湾3-1”区域的环境条件作为Truss Spar平台的环境参数。“荔湾3-1”区域是我国最具代表性的海洋环境条件。南海位于我国热带和亚热带区域，海域平均水深为1 800 m，最大水深可达5 400 m[3]，而“荔湾3-1”区域正是典型的我国南海环境，由于常年的频繁的台风活动，导致南海海域环境极其复杂恶劣，所以取其环境参数进行平台的研究分析具有代表性。“荔湾3-1”区域的环境参数如下：波高：6.2 m；波周期：11.1 s；风速：16.4 m/s；波速：1.05 m/s；海流流速：2.07 m/s(海面),1.49 m/s(海水中部)，1.04 m/s(海水底部)。

2 平台参数设计

本文选用的分析模型是建在墨西哥湾水深1 500 m处的一座最具代表性的Truss Spar平台，此平台硬舱总长68.88 m，圆柱体结构，位于平台主体的上部。平台中段采用的开放式构架结构是与Classic Spar这种传统式平台最明显的区别，总长96 m的框架由数十根X形桁架及三块垂荡板构成，主体下部是长度为5 m的底部压载舱位。施工人员为了减少建造成本和降低施工难度，在实际施工过程中将Truss Spar平台的主体中段进行了改造，采用非常开放的构架结构很大程度的减少了主体部分的水平面积，从而限制了其水平运动，最终减少了外荷载对平台的影响；但是上述改造导致平台吃水深度降低，平台受波浪竖向力增大，为了解决这个问题，施工人员将三块32.21 m×32.21 m的垂荡板安装在平台主体下部，从而减少了波浪力对平台整体结构的影响，同时也有效降低了Spar的垂荡响应。本文计算时利用的Truss Spar平台的结构示意图如图1所示。

3 ANSYS 建立平台结构模型

本文建立平台模型的单元类型是根据对平台进行静动力分析等的不同要求而选取的ANSYS软件中的两种单元类型，即Shell63单元和Pipe59单元，其中Shell63单元主要应用于甲板、上部主体结构、垂荡板和底部压载舱的模型建立；Pipe59单元应用在桁架部分模型的建立。在不考虑系泊系统和立管情况下，通过上述两种单元类型建立的Spar平台的有限元模型,如图2所示。

4 模态分析

模态分析有七种方式，试验模态分析和计算模态分析是最常用的模态分析方式。试验模态分析是通过反复试验对系统生成的数据进行参数识别，从而得到模态参数的分析方法；计算模态分析是根据有限元计算出模态参数的分析方法。由于模态是结构振动特性的一种体现形式，所以结构动力特性能够通过模态分析进行研究。另外，通过有限元软件进行的模态分析以线性居多。

下面使用Block Lanzcos算法，通过ANSYS有限元软件对Spar平台进行模态分析，在分析过程中，以底部压载舱固定作为边界条件，在加载时忽略底部压载舱的各向位移。取自振特性的前12阶进行计算，平台各阶自振周期和固有频率列于表1。

表1 平台各阶周期与频率

通过对表1中的数据分析发现，该平台6阶模态以后的自振周期与设计波的周期差别非常明显，所以设计波几乎对平台没有产生任何影响；另外，甲板在结构和刚度上都与主体和压载舱有着很大的差距，所以当我们在做模型计算时，不会考虑6阶模态之后的振型和频率。

Truss Spar平台模型的第6阶模态如图3所示，通过大量分析发现平台的振型遵循扭转和弯曲规律。在实际情况中，结构的弯曲都是沿x和y方向发生，而结构扭转则是沿z方向发生。第6阶模态是这些模态中我们所研究的重点，由于平台沿z方向扭转的情况发生在第6阶模态，柱体的扭转现象往往导致结构发生断裂破坏，对平台结构造成不可估量的严重影响。所以考虑Spar平台沿z轴的扭转成为在实际施工计算中考虑的重中之重。

5 结语

1)本文通过对深海Spar平台进行模态分析，发现该平台的自振周期不大，所以在做具体动力分析计算时，不考虑6阶模态之后的频率和振型。2)平台第6阶模态是平台沿z方向扭转的情况，而对于柱体来说，扭转现象可以导致结构发生断裂破坏，引起的后果不堪设想。所以，在实际的设计计算中，应重点考虑Spar平台沿z轴的扭转。

[1] 张 智，董艳秋，芮光六.一种新型的深海采油平台Spar[J].中国海洋平台，2006，19(6)：29-35.

[2] 张 帆，杨建民，李润培.Spar平台的发展趋势及其关键技术[J].中国海洋平台，2005，20(2)：6-11.

[3] 美国ANSYS公司北京办事处.ANSYS动力学分析指南[Z].1998.

The modal analysis based on a Truss Spar platform in Mexico Bay

QIN Xiao ZHAO Sheng-zhu

(ShandongLinyiWaterConservancyEngineeringCorporation,Linyi276006,China)

Combining with the construction characteristics of deepwater Spar platform, this paper made modeling to a Truss Spar platform in Mexico Bay using large finite element analysis software ANSYS, and made model analysis on modal establishment, obtained some valuable conclusions, had important significance to the design and calculation of actual construction.

Spar platform, finite element, dynamic response, modal analysis

1009-6825(2014)35-0063-02

2014-10-08

秦 晓(1987- )，女，助理工程师； 赵胜珠(1983- ),男，助理工程师

TU311

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