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摘要
20世纪80年代以来，Spar平台被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作。目前，世界上的 Spar 平台分为三代，分别是 Classic Spar、Truss Spar 和 Cell Spar，本文以墨西哥湾的一座典型的Truss Spar为分析对象，使用ANSYS软件对其进行静动载荷分析、模态分析及谐响应分析。研究结果表明：该SPAR平台在常规载荷作用下整体结构应力水平及位移较低，符合规范要求；当外部载荷作用频率接近固有频率时，会使结构产生共振现象，造成不利影响。
关键词：SPAR平台；ANSYS；模态分析；谐响应分析
一、工程背景：
海上油田的开发从海岸到500m的水深花了很长时间，而从500m到1500m的水深却只用了十几年。这样的快速发展得益于深海平台技术的不断更新和发展，特别是近年来TLP和Spar技术的出现。[1] Spar平台（深水浮筒平台）属于顺应式平台的范畴，被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负着钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，成为当今世界深海石油开采的有力工具。目前，世界上的 Spar 平台分为三代，分别是 Classic Spar、Truss Spar 和 Cell Spar，即经典式、桁架式和分简集束式。
Spar平台的中心处开有中央井，中央井内装有独立的立管浮筒，具有良好的灵活性。生产立管上与平台上体的控井和生产处理设施相连，向下则一直延伸到海底油井。[2] Spar平台的油气产品有两种输出方式，它既可以通过柔性输油管、SCR立管或顶紧张式立管将油气产品直接输送到海底管道系统，也可以将石油储藏在Spar平台的主体中，然后用油轮将石油向岸上运输。由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。[3]
二、 Truss Spar平台的结构特点及荷载情况
本文所用的分析模型是位于墨西哥湾的一座典型性的 Truss Spar 平台，这座平台建在水深 1500 m处，其硬舱位于平台主体的上部，是圆柱体结构，主体直径32.0m，总长为 68 .88m；甲板尺寸40×40×1m；框架结构由三块厚0.8m的垂荡板及数十根 X 型桁架构成，总长为 96 m（共4层），X 型桁架直径1.25m，竖向桁架直径2.0m；底部压载舱位于主体下部，长 5m 。
载荷情况：根据公式 计算，甲板上所受风力为7254N，水面上的主体所受风力为9199.8N，浮力值85417N。
设置海洋环境参数：波高6.2m，波周期11.1m，风速16.4m/s，波速1.05m/s，海流流速（m/s）：2.07（海面），1.49（中部），1.04（底部），工作水深1500m。
三、选用的单元特性及材料
整体模型主要采用SHELL63和PIPE59两种单元。其中甲板、上部主体结构和垂荡板、底部压载舱采用 SHELL63 单元，桁架部分采用 PIPE59 单元。选用的材料为两种：
1、Q235钢密度ρ=7800kg/ ；弹性模量E=2.06×1011N/ ；泊松比：μ=0.3。2、含有少量钢成分的复合材料密度ρ=2000kg/ ；弹性模量E=2.06×1011N/ ；泊松比：μ=0.3。
四、主要建模过程
1. 执行Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，建立SHELL63和PIPE59单元。执行Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete命令，输入SHELL63和PIPE59对应的不同实常数。执行Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，弹出定义材料模型行为对话框，在对话框中输入两种材料的弹性模量，泊松比和密度。
2.首先建立桁架部分的底部正方形；再将该正方形向上方用COPY操作移动24m，连接成立方体；继续用布尔操作的copy生成四个相接的立方体；连接X桁架；然后继续建立底部软舱的正方形，再在第一个立方体上部建立垂荡板，向上COPY3个；下面建立硬舱部分：首先将工作平面移至立方体的底部，然后在XY平面创建硬舱的圆形底面，再通过EXTRUDE操作将圆弧向Z正方向拉成圆柱体的外表面，最后再圆柱体上表面生成甲板部分。为了方便只在硬舱的水平面以上部分加风载荷，需要先将工作平面移到交界面，然后使用布尔操作的divide area by workplace 将圆柱体的外表面分成上下两个部分。
3. 单元网格划分。执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes命令，给不同部分设定属性。再执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，将底部软舱网格划分为每边分成8份，面总共分成64份；三个垂荡板划分为每边分成8份，面总共分成64份；竖向桁架和X桁架都按Line划分为1；硬舱圆柱体采用自由划分；甲板按每边的线长度为1m划分。合并重合的节点、单元编号后得到，剖分后总单元数为1219个，总节点数1275个。
4. 施加约束。在底部压载舱下表面设置ALL DOF的面约束。
五、受力分析
通过ANSYS分析可以得出，在只有自重情况下，Spar平台最大变形值为54.8041mm，第一主应力值为3.478 Pa，Von Mises 应力最大值为 Pa；加载后最大变形值为93.745mm，第一主应力值为1.42 Pa， Von Mises 应力最大值为1.494 Pa。 根据中国船级社（CCS）曾在 1992 年提出了《海上固定平台入级与建造规范》，若平台所用钢材的屈服应力值按 345 MPa计算，则有： [ ]=207MPa，[ ]=138MPa，由此可得均符合规范要求。[4]
六、模态分析
使用Block Lancos法计算结构前六阶振型，得出固有频率如下：0.391563、0.391564、1.0373、1.4485、1.4485、2.6143。可以看出，平台的这些振型遵循弯曲和扭转规律。通常结构发生弯曲在x和 y方向，而扭转则是在 z方向，即第六阶模态，而对于柱体来说，扭转现象可以导致结构发生断裂破坏，引起不良的后果，这需要引起重视。
七、谐响应分析
在 ANSYS 中，谐响应分析也是线性分析，主要有完全法、缩减法和模态叠加法，本文主要采用完全法，参照已经得出的Spar平台的固有频率，将频率范围Harmonic freq range 设定为 0-3Hz，取200作为载荷的子步数。将载荷施加在平台甲板边缘位置，即 NODE409。载荷的施加方向分别选择 y 轴、x轴和z 轴正向。经过 ANSYS 的分析计算后，可以从后处理的结果中得出位移频响曲线。
结论
1、本文所取得SPAR平台在常规载荷作用下整体结构应力水平及位移较低，自重和加载情况下均符合《海上固定平台入级与建造规范》要求；
2、根据模态分析，可知第六阶模态扭转变形比较大，实际工程中要引起重视；
3、当外部载荷作用频率接近固有频率时，会使结构产生共振现象，造成不利影响。
参考文献：
[1] 张大刚. 深海油田的开发――当前国际应用及发展趋势[J].中国造船，2005，4：41～46
[2] 杨光. 深水单柱形平台水动力性能分析研究[D].大连：大连理工大学博硕论文，2007
[3] 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，2004
[4] 中国船级社. 海上固定平台入级与建造规范[S]. 北京：人民交通出版社，1992
[5] 刘楠. 海洋平台结构的断裂分析[D]. 青岛：中国海洋大学博士学位论文，2013
作者简介：王璐（1993.8- ），女，河南洛阳人，郑州大学力学与工程科学学院2011级本科生，工程力学专业。
20世纪80年代以来，Spar平台被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作。目前，世界上的 Spar 平台分为三代，分别是 Classic Spar、Truss Spar 和 Cell Spar，本文以墨西哥湾的一座典型的Truss Spar为分析对象，使用ANSYS软件对其进行静动载荷分析、模态分析及谐响应分析。研究结果表明：该SPAR平台在常规载荷作用下整体结构应力水平及位移较低，符合规范要求；当外部载荷作用频率接近固有频率时，会使结构产生共振现象，造成不利影响。
关键词：SPAR平台；ANSYS；模态分析；谐响应分析
一、工程背景：
海上油田的开发从海岸到500m的水深花了很长时间，而从500m到1500m的水深却只用了十几年。这样的快速发展得益于深海平台技术的不断更新和发展，特别是近年来TLP和Spar技术的出现。[1] Spar平台（深水浮筒平台）属于顺应式平台的范畴，被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负着钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，成为当今世界深海石油开采的有力工具。目前，世界上的 Spar 平台分为三代，分别是 Classic Spar、Truss Spar 和 Cell Spar，即经典式、桁架式和分简集束式。
Spar平台的中心处开有中央井，中央井内装有独立的立管浮筒，具有良好的灵活性。生产立管上与平台上体的控井和生产处理设施相连，向下则一直延伸到海底油井。[2] Spar平台的油气产品有两种输出方式，它既可以通过柔性输油管、SCR立管或顶紧张式立管将油气产品直接输送到海底管道系统，也可以将石油储藏在Spar平台的主体中，然后用油轮将石油向岸上运输。由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。[3]
二、 Truss Spar平台的结构特点及荷载情况
本文所用的分析模型是位于墨西哥湾的一座典型性的 Truss Spar 平台，这座平台建在水深 1500 m处，其硬舱位于平台主体的上部，是圆柱体结构，主体直径32.0m，总长为 68 .88m；甲板尺寸40×40×1m；框架结构由三块厚0.8m的垂荡板及数十根 X 型桁架构成，总长为 96 m（共4层），X 型桁架直径1.25m，竖向桁架直径2.0m；底部压载舱位于主体下部，长 5m 。
载荷情况：根据公式 计算，甲板上所受风力为7254N，水面上的主体所受风力为9199.8N，浮力值85417N。
设置海洋环境参数：波高6.2m，波周期11.1m，风速16.4m/s，波速1.05m/s，海流流速（m/s）：2.07（海面），1.49（中部），1.04（底部），工作水深1500m。
三、选用的单元特性及材料
整体模型主要采用SHELL63和PIPE59两种单元。其中甲板、上部主体结构和垂荡板、底部压载舱采用 SHELL63 单元，桁架部分采用 PIPE59 单元。选用的材料为两种：
1、Q235钢密度ρ=7800kg/ ；弹性模量E=2.06×1011N/ ；泊松比：μ=0.3。2、含有少量钢成分的复合材料密度ρ=2000kg/ ；弹性模量E=2.06×1011N/ ；泊松比：μ=0.3。
四、主要建模过程
1. 执行Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，建立SHELL63和PIPE59单元。执行Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete命令，输入SHELL63和PIPE59对应的不同实常数。执行Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，弹出定义材料模型行为对话框，在对话框中输入两种材料的弹性模量，泊松比和密度。
2.首先建立桁架部分的底部正方形；再将该正方形向上方用COPY操作移动24m，连接成立方体；继续用布尔操作的copy生成四个相接的立方体；连接X桁架；然后继续建立底部软舱的正方形，再在第一个立方体上部建立垂荡板，向上COPY3个；下面建立硬舱部分：首先将工作平面移至立方体的底部，然后在XY平面创建硬舱的圆形底面，再通过EXTRUDE操作将圆弧向Z正方向拉成圆柱体的外表面，最后再圆柱体上表面生成甲板部分。为了方便只在硬舱的水平面以上部分加风载荷，需要先将工作平面移到交界面，然后使用布尔操作的divide area by workplace 将圆柱体的外表面分成上下两个部分。
3. 单元网格划分。执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes命令，给不同部分设定属性。再执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，将底部软舱网格划分为每边分成8份，面总共分成64份；三个垂荡板划分为每边分成8份，面总共分成64份；竖向桁架和X桁架都按Line划分为1；硬舱圆柱体采用自由划分；甲板按每边的线长度为1m划分。合并重合的节点、单元编号后得到，剖分后总单元数为1219个，总节点数1275个。
4. 施加约束。在底部压载舱下表面设置ALL DOF的面约束。
五、受力分析
通过ANSYS分析可以得出，在只有自重情况下，Spar平台最大变形值为54.8041mm，第一主应力值为3.478 Pa，Von Mises 应力最大值为 Pa；加载后最大变形值为93.745mm，第一主应力值为1.42 Pa， Von Mises 应力最大值为1.494 Pa。 根据中国船级社（CCS）曾在 1992 年提出了《海上固定平台入级与建造规范》，若平台所用钢材的屈服应力值按 345 MPa计算，则有： [ ]=207MPa，[ ]=138MPa，由此可得均符合规范要求。[4]
六、模态分析
使用Block Lancos法计算结构前六阶振型，得出固有频率如下：0.391563、0.391564、1.0373、1.4485、1.4485、2.6143。可以看出，平台的这些振型遵循弯曲和扭转规律。通常结构发生弯曲在x和 y方向，而扭转则是在 z方向，即第六阶模态，而对于柱体来说，扭转现象可以导致结构发生断裂破坏，引起不良的后果，这需要引起重视。
七、谐响应分析
在 ANSYS 中，谐响应分析也是线性分析，主要有完全法、缩减法和模态叠加法，本文主要采用完全法，参照已经得出的Spar平台的固有频率，将频率范围Harmonic freq range 设定为 0-3Hz，取200作为载荷的子步数。将载荷施加在平台甲板边缘位置，即 NODE409。载荷的施加方向分别选择 y 轴、x轴和z 轴正向。经过 ANSYS 的分析计算后，可以从后处理的结果中得出位移频响曲线。
结论
1、本文所取得SPAR平台在常规载荷作用下整体结构应力水平及位移较低，自重和加载情况下均符合《海上固定平台入级与建造规范》要求；
2、根据模态分析，可知第六阶模态扭转变形比较大，实际工程中要引起重视；
3、当外部载荷作用频率接近固有频率时，会使结构产生共振现象，造成不利影响。
参考文献：
[1] 张大刚. 深海油田的开发――当前国际应用及发展趋势[J].中国造船，2005，4：41～46
[2] 杨光. 深水单柱形平台水动力性能分析研究[D].大连：大连理工大学博硕论文，2007
[3] 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，2004
[4] 中国船级社. 海上固定平台入级与建造规范[S]. 北京：人民交通出版社，1992
[5] 刘楠. 海洋平台结构的断裂分析[D]. 青岛：中国海洋大学博士学位论文，2013
作者简介：王璐（1993.8- ），女，河南洛阳人，郑州大学力学与工程科学学院2011级本科生，工程力学专业。