深海浮筒结构动力特性的仿真分析.pdfVIP

72 低 温 建 筑 技 术 2011年第9期(总第 159期) 深海浮简结构动力特性的仿真分析 张文福， 陈春磊， 计 静， 刘迎春 (东北石油大学防灾减灾与防护工程重点实验室。 黑龙江 大庆 163318) 摘【 要】 为研究深海浮筒的动力特性，基于ANSYS的FSI液固耦合方法对漂浮在深海的浮筒进行了有限 元仿真分析 ，将考虑液固耦合的浮筒结构的分析结果与理论值进行了比较，二者相差不大，验证了此方法的正确 性。随后开展了不同高径 比(h／D)的浮筒结构模型的模态分析 ，得出不同高径比(h／D)浮筒在其深海漂浮状态下 自振频率的变化规律 ，为今后此类工程的设计提供参考。 【关键词】 深海浮筒；液固耦合；FSI 【中图分类号】 TU399 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2011)09—0072—02 随着海洋石油资源的进一步开发，海洋浮式结构 为 15．4m；流体高度 日为8．4m。 的重要性越来越被人们所认识。在SPAR平台的设计 1．3 有限元模型建立 过程中，不仅需要考虑浮式结构的静力特性，还需考虑 流体模型采用流体单元 FLUID30，流体单元 FLU． 流场中结构的振型及 自振频率，很多人都进行 了相关 ID30的尺寸取为实体浮筒单元的6倍 ，其 中液固耦合 的研究，但对于SPAR结构中液固耦合却考虑的很少。 交界面上的流体单元与无结构 一流体交界面的流体 目前 ，在浮式结构动力特性的研究中以对结构进行模 单元比值为 1：5。 态分析为主。虽然空气和海水同属于流体，但 由于空 气对结构的自振频率影响甚小 ，故在运用ANSYS对结 构进行模态分析时可忽略空气流场对其的影响。但同 为流体的海水对处于深海中的浮式结构 自振频率的 影响则不可忽略，运用ANSYS进行分析时，流体单元 的选择，液固耦合界面的标记 ，流体区域范围的选择都 处于研究过程中，且浮式结构在深海环境下的模态研 究还相对较少。本文利用 ANSYS开展了深海环境下 不同尺寸浮筒模型在 FSI液固耦合下的模态分析，在 图 1 浮筒模型 仿真分析过程中，合理的进行了流体单元、流体区域范 浮筒模型采用实体单元 SOLIIM5，定义单元属性 围以及液固耦合范围的选择 ，并进行理论值对 比，进而 并进行网格划分，网格划分后实体单元液固耦合交界 验证得到此方法的正确性，为今后的工程设计应用提 面上节点一定要与对应 的流体单元节点空间位置上 供帮助 。 重合。 1 有 限元模型 选取液固耦合界面处流体节点，进行液固耦合标 1．1 分析步骤 记 ，运用sF命令族下的FSI命令，标记耦合界面。在 在运用 ANSYS进行液固耦合分析时，需分别建立 流场边界的节点上施加静水压力且研究的浮式结构 流体、固体模型并划分网格。其中液体及固体两者耦 的分析为垂荡方向模态及阵型，故而将浮筒 ，y方向 合处的节点必须在空间位置上重合 ，并运用 FSI标签 予以固定 ，由于海底应对流体有 z方向约束，故而流 进行液固耦合标记，之后对流体及固体进行约束，完成 场底部z方向固定。结构 一流体分界面处的耦合 模型建立。采用非对称法提取结构模态 。 如图2所示。 1．2 主要参数 本文所分析的浮筒结构为全部刚好浸没，其中浮 表 1 ANSYS计算结果 简模型见图1，具体尺寸及参数如下。 固体模型弹性模量为 210GPa；密度为 7．93× 10kg／m ；泊松