Ansys在海洋石油工程中的应用-部分2

ANSYS在海洋石油工程中的应用75（4）将不同深度下的土壤P-y曲线数据对作为相应位置COMBIN39单元的F-D实常数输入；（5）进行相关力学分析。5.45.45.45.4工程实例：平台桩土相互作用分析工程实例：平台桩土相互作用分析工程实例：平台桩土相互作用分析工程实例：平台桩土相互作用分析本节以涠洲海域某单腿平台（见图5-4所示）为例，详细介绍考虑桩土相互作用下平台桩腿力学分析的ANSYS操作过程。平台基本参数如下：图5-4平台桩土相互作用模型桩腿尺寸外径：1524mm，壁厚：54mm。材料参数弹性模量：2.1E11Pa，泊松比：0.3，密度：7850kg/m^3。环境参数水深：28m，海面以上高度：15m，风速：46m/s，有效波高：13.8m，有效波周期：10s，海面流速：1.73m/s，中部流速：1.37m/s，底部流速：0.95m/s。平台载荷：200TP-y参数如表5.1所示ANSYS在海洋石油工程中的应用76表5.1P-y曲线数据下面按照ANSYS操作的先后顺序，对建模和分析过程的步骤进行详细介绍。5.4.15.4.15.4.15.4.1前处理过程前处理过程前处理过程前处理过程（1111）设置工作环境进入ANSYS/Multiphysics的程序界面后，通过常用菜单路径【UtilityMenu】【File】【ChangeJobname】,指定分析的工作名称为“Pile-soilinteraction”，将“Newloganderrorfiles？”选项设置为【yes】，点击【OK】按钮。在命令流窗口输入“/UNIT,SI”，定义国际单位制。通过菜单项【UtilityMenu】【File】【ChangeTitle】,指定图形显示区域的标题为“AnalysisofPile-soilinteraction”。（2222）定义单元类型设置完成后，点击菜单项【MainMenu】【Preprocesso】进入前处理器PREP7开始建模以及其他的前处理操作。选择菜单路径【MainMenu】【Preprocessor】【ElementType】【Add/Edit/Delete...】，定义3种单元类型，命令流操作如下：ET,1,PIPE16!定义1号单元为PIPE16ET,2,PIPE59!定义2号单元为PIPE59ET,3,COMBIN39!定义3号单元为COMBIN39泥深（m）P-y数据（P（N）/y（m））001050.7561751.262626.893677.6464553.276…00.0015240.0060960.0243840.060960.12192103677.6465954.2849456.80412784.216111.5900.015240.060960.243840.60961.2192205253.7810507.5615761.3418213.120839.9900.0007620.0017780.0027940.0035560.0043183017862.85235725.70453588.5662344.8671276.2800.001270.0027940.0048260.0058420.007624038177.46876354.936114357.3133446152534.700.0020320.0040640.0066040.0081280.0104145064971.746130118.62195090.4227663.8260062.100.002540.005080.0083820.0104140.013208…ANSYS在海洋石油工程中的应用77（3333）设置单元实常数选择菜单路径【MainMenu】【Preprocessor】【RealConstants】【Add/Edit/Delete...】,弹出“ElementTypeforRealConstants”对话框，单击【Add...】按钮，设置管单元实常数。利用命令流设置如下：R,1,1.524,0.05!定义1号实常数（针对PIPE16）R,2,1.524,0.05,0.7,2.0,1030,0,!定义2号实常数（针对PIPE59）其中1号实常数对应PIPE16单元，2号实常数对应PIPE59单元，接着需要定义21个COMBIN39的单元实常数，选择菜单路径【MainMenu】【Preprocessor】【RealConstants】【Add/Edit/Delete...】,弹出“ElementTypeforRealConstants”对话框，单击【Add...】按钮，选择“Type3COMBIN39”，单击【OK】，弹出如图5-5所示的“D-F”实常数设置，每一个实常数编号对应一个深度下的P-y曲线数，其中“D”对应P-y曲线数据中的“y”对应，“F”与“P”对应，设置一个单元实常数之后，单击【Apply】按钮，进行下一个“D-F”实常数的输入，共定义21组，对应建立21个非线性弹簧单元。如果采取命令流的方式，见本章附录部分。图5-5设置COMBIN39单元实常数（4444）设置材料参数选择菜单路径【MainMenu】【Preprocessor】【MaterialProps】【MaterialModels】,将出现“DefineMaterialModelBehavior”对话框，在窗口的右侧，依次单击【Structural】【Linear】【Elastic】【Isotropic】，在出现的对话框中输入材料弹性模量“2.1E11”以及泊松比“0.3”，单击OK按钮，继续返回点击【Density】弹出密度设置窗口，设置密度为“7850”，。单击【Fluids】【WaterTable】按照图5-6所示设置环境载荷参数。ANSYS在海洋石油工程中的应用78图5-6环境载荷参数设置（5555）建立几何模型本例将采用直接通过建立节点的方法建立有限元模型。1）建立单元节点选择菜单路径【MainMenu】【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Nodes】【InActiveCs】，将出现如图5-7所示的对话框，建立位于桩腿顶部的节点，编号为“1”，坐标为（0，0，15），单击【Apply】按钮，继续定义节点编号为“44”，坐标为（0，0，-28），即泥线处单元节点，单击【Apply】按钮，接着定义节点编号为“64”，坐标为（0，0，-48），即桩端部节点（桩土相互作用模拟深度假设为20m），单击【OK】按钮。选择菜单【Create】【Nodes】【FillbetweenNds】，弹出节点拾取对话框，利用鼠标在图形显示区域拾取节点1和44，单击【OK】按钮，弹出如图5-8所示对话框，所有选项默认，单击【Apply】按钮，继续选中44和64节点，进行节点填充操作，结果如图5-9所示。按照上述同样的操作，建立COMBIN39单元的节点，定义编号为“65”的节点，坐标为（1，0，-28）及编号为85的节点，坐标为（1，0，-48），然后进行节点填充操作。此部分的命令流操作如下：N,1,0,0,15!建立1号节点N,44,0,0,-28!建立44号节点FILL!在节点1和44之间自动插入生成2~43节点N,64,0,0,-48!建立64号节点FILL!在节点44和64之间自动插入生成45~63节点N,65,1,0,-28!建立65号节点N,85,1,0,-48!建立85号节点FILL!在节点65和85之间自动插入生成66~84节点ANSYS在海洋石油工程中的应用79图5-7建立单元节点图5-8单元节点填充设置图5-9节点填充结果2）通过节点建立单元选择菜单路径【MainMenu】【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Elements】【ElemAttributes】，弹出“ElementAttributes”对话框，在【TYPE】选项后的下拉框中选中“2PIPE59”，在【MAT】选项后的下拉列表中选中“1”，在【REAL】选项后的下拉列表中选择“2”单元实常数。单击【OK】按钮。单击【MainMenu】【Preprocessor】【Modeling】【Create】【Elements】【AutoNumbered】【ThruNodes】，弹出节点拾取对话框，利用鼠标在图形显示ANSYS在海洋石油工程中的应用80区域选中节点1和2，单击【Apply】按钮，继续选择节点2和3，3和4，…，43和44。单击【OK】按钮。按照上述相同的操作过程，创建泥线以下桩腿单元和非线性弹簧单元，最终建立的有限元模型如图5-10所示。如采用循环语句建立单元的命令流如下：TYPE,2!选择2号单元类型REAL,2!选择2号实常数MAT,1!选择1号材料模型*DO,I,1,43,1E,I,I+1*ENDDO!泥线以上PIPE59单元TYPE,1!选择1号单元类型REAL,1!选择1号实常数MAT,1!选择1号材料模型*DO,I,44,63,1E,I,I+1*ENDDO!泥线以下PIPE16单元TYPE,3!选择3号单元类型*DO,I,3,23,1REAL,I!选择I号实常数E,I+41，I+62!非线性弹簧单元*ENDDOANSYS在海洋石油工程中的应用81图5-10桩土相互作用有限元模型（6666）保存有限元模型并退出前处理单击常用工具条上的【SAVEDB】按钮保存模型，也可以单击【UtilityMenu】【File】中的保存选项。至此，已完成了除加载之外建模的全部操作，单击【MainMenu】【Finish】菜单项，退出前处理器。5.4.25.4.25.4.25.4.2静力求解计算静力求解计算静力求解计算静力求解计算（1111）设置求解类型选择菜单路径【MainMenu】【Solution】菜单项，进入求解器，选择【AnalysisType】【NewAnalysis】，弹出分析类型选择对话框，选择分析类型为【Static】，单击【OK】按钮退出。（2222）设置位移边界条件选择菜单路径【MainMenu】【Solution】【DefineLoads】【Apply】【Structural】【Displacement】【OnNodes】，弹出“ApplyU，ROTonNodes”节点拾取对话框，用鼠标在图形显示区域选中位移桩腿底端节点和所有非线性弹簧模型右边的节点，单击【OK】按钮，在“DOFstobeconstrained”中选择【ALLDOF】，单击【OK】按钮退出。命令流如下：/SOLU!进入求解计算模块ANTYPE,0!设置求解类型为静力分析NSEL,S,NODE,,64,85,1!选中64~85节点D,ALL,ALL!约束其全部自由度ALLSEL!重新选中所有对象（3333）施加载荷1）定义风载荷选择菜单路径【MainMenu】【Solution】【DefineLoads】【Apply】【Structural】【Force/Moment】【OnNodes】，弹出“ApplyF/MonNodes”对象拾取对话框，选择【Box】，用鼠标在图形显示区域拾取节点1和16之间的所有节点，单击【OK】按钮，弹出“ApplyF/MonNodes”属性值设置对话框，在【Directionofforce/moment】中选择【FX】，在【Force/momentvalue】中输入“23288/16”（共16个节点），单击【OK】按钮退出。2）定义顶部平台载荷载选择菜单路径【MainMenu】【Solution】【DefineLoads】【Apply】【Structural】【Force/Moment】【OnNodes】,弹出“ApplyF/MonNodes”对象拾取对话框，用鼠标在图形显ANSYS在海洋石油工程中的应用82示区域拾取节点1，单击【OK】按钮，弹出“Ap