自升式钻井平台悬臂梁结构优化设计研究

发布时间：2017-10-15 09:19

  本文关键词：自升式钻井平台悬臂梁结构优化设计研究

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【摘要】：随着陆地油气资源的不断开采而日益减少,人类社会对海上油气资源的开采越来越关注,不同于陆地资源开发,由于海洋资源开发受到海上作业环境的限制,必需建造专用的海洋工作平台。自升式钻井平台由于其具有操作灵活、定位能力强、适应水域广和可重复使用等优点,在海洋油气资源钻探开发中得到了广泛的应用。悬臂梁式自升式平台是现在自升式钻井平台的主流型式,悬臂梁结构作为钻井作业过程中的主要承载平台,其能够有效提升平台作业能力和范围,大大提高了作业效率。因此,对自升式钻井平台悬臂梁结构进行数值分析研究,为我国海洋石油装备的设计及建造提供了技术建议和工程参考。本文以国内某船厂建造的350ft自升式钻井平台悬臂梁结构为研究对象,建立了关于悬臂梁受力模型,在此基础上对结构进行了强度分析和动态响应分析,最后在结构分析的基础上进行结构优化设计研究,并对优化后的结构进行结构分析。本文的具体研究内容如下所示:(1)根据自升式钻井平台悬臂梁的结构特征、作业环境及本文研究目的,深入探讨论文研究过程中需要用到的有限元理论及结构优化设计理论,为悬臂梁结构分析及优化研究提供必要理论依据。(2)根据自升式钻井平台的作业环境及悬臂梁的结构特点,首先进行了悬臂梁负荷试验研究,并根据试验加载方案进行了数值分析,为后续结构强度研究奠定基础;根据悬臂梁实际作业工况,研究悬臂梁所受的载荷,对悬臂梁结构在不同井位和工况下进行强度、刚度特性分析并校核,同时研究了风向对悬臂梁各工作工况结构强度的影响,为后续悬臂梁结构优化设计奠定基础。(3)悬臂梁在生产作业过程中,受到的载荷多且复杂,为了研究其动态响应性能,运用Lanczos法对悬臂梁进行模态分析,获取了结构前几阶固有频率及振型;在模态分析的基础上,对结构分别进行了频率响应分析和瞬态动力学分析,得到了相应的结果和结论。(4)根据悬臂梁结构的有限元分析结果及相关校核规范,通过分析选定合适的优化设计变量、状态变量及目标函数。通过相关参数的设定,依托Nastran优化功能对悬臂梁两侧纵梁、管架甲板及底甲板进行详细的结构尺寸优化设计,通过不同结构形式的比较,从而得到悬臂梁的最佳结构形式,以实现减轻悬臂梁结构重量的目标。并验证了优化后结构型式的可行性,对比分析了优化前后结构动态性能。(5)在传统型悬臂梁结构的基础上,提出一种双腹板型悬臂梁结构;然后对新型悬臂梁结构与传统型悬臂梁结构的结构性能进行对比分析。
【关键词】：自升式钻井平台 悬臂梁 结构分析 结构优化设计 双腹板型悬臂梁
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.381
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第1章 绪论17-27
• 1.1 课题研究的背景及意义17-20
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势20-24
• 1.2.1 自升式平台悬臂梁研究现状20-23
• 1.2.2 结构优化设计研究现状23-24
• 1.2.3 自升式平台悬臂梁发展趋势24
• 1.3 主要研究内容24-25
• 1.4 本文的创新点25-27
• 第2章 数值计算基本理论27-40
• 2.1 有限元基础理论27-32
• 2.1.1 有限元发展概况27-28
• 2.1.2 有限元法的基本思想和原理28-30
• 2.1.3 有限元法的基本求解过程30-32
• 2.2 MSC.Nastran结构优化设计的基本理论32-38
• 2.2.1 优化设计的相关基础33-34
• 2.2.2 寻优策略34
• 2.2.3 寻优方法34-38
• 2.3 本章小结38-40
• 第3章 自升式钻井平台悬臂梁负荷试验及结构强度研究40-62
• 3.1 引言40
• 3.2 悬臂梁结构设计研究40-46
• 3.2.1 设计标准40-41
• 3.2.2 悬臂梁设计参数及载荷41
• 3.2.3 悬臂梁结构受力模型的建立41-44
• 3.2.4 悬臂梁结构有限元模型的建立44-45
• 3.2.5 材料特性45
• 3.2.6 边界条件分析45-46
• 3.3 负荷试验46-52
• 3.3.1 加载方案46-47
• 3.3.2 试验步骤47-49
• 3.3.3 试验结果49-52
• 3.4 计算载荷及工况分析52-55
• 3.4.1 计算载荷52-55
• 3.4.2 计算工况分析55
• 3.5 计算结果分析55-60
• 3.5.1 工况1结果分析55-56
• 3.5.2 工况2结果分析56-57
• 3.5.3 工况3结果分析57-58
• 3.5.4 风暴自存工况结果分析58-59
• 3.5.5 风向对作业工况应力影响分析59-60
• 3.6 强度校核60-61
• 3.7 本章小结61-62
• 第4章 自升式钻井平台悬臂梁结构动力响应研究62-76
• 4.1 引言62
• 4.2 悬臂梁结构模态分析62-67
• 4.2.1 模态分析的理论基础62-63
• 4.2.2 模态分析的方法63
• 4.2.3 模态计算结果与分析63-67
• 4.3 悬臂梁结构频率响应分析67-71
• 4.3.1 频率响应分析基本过程67-68
• 4.3.2 悬臂梁载荷分析68
• 4.3.3 悬臂梁在各方向上频率响应计算68-71
• 4.4 悬臂梁结构瞬态动力学分析71-75
• 4.4.1 瞬态动力学分析的方法71-72
• 4.4.2 冲击载荷确定72-73
• 4.4.3 时间步长的确定73
• 4.4.4 结果与分析73-75
• 4.5 本章小结75-76
• 第5章 自升式钻井平台悬臂梁结构优化设计研究76-88
• 5.1 引言76
• 5.2 结构优化设计的简介76-77
• 5.3 结构优化设计的理论基础77-79
• 5.3.1 结构优化设计的数学模型78
• 5.3.2 设计变量(DV)78
• 5.3.3 状态变量(SV)78-79
• 5.3.4 目标函数(OBJ)79
• 5.4 悬臂梁结构尺寸优化79-82
• 5.4.1 尺寸优化简介80
• 5.4.2 设计变量选取80-81
• 5.4.3 目标函数的确定81-82
• 5.4.4 状态变量的选取82
• 5.5 优化结果与分析82-85
• 5.6 优化对结构模态的影响分析85-86
• 5.7 本章小结86-88
• 第6章 双腹板型悬臂梁结构设计研究88-100
• 6.1 引言88
• 6.2 双腹板型悬臂梁结构设计88-90
• 6.3 双腹板型悬臂梁结构强度研究90-94
• 6.3.1 有限元模型的建立90
• 6.3.2 强度计算结果分析90-94
• 6.4 双腹板型悬臂梁钻井性能研究94-97
• 6.4.1 外伸距离对结构性能的影响95-96
• 6.4.2 许用钻井载荷对结构性能的影响96-97
• 6.5 本章小结97-100
• 第7章 总结与展望100-102
• 7.1 总结100-101
• 7.2 展望101-102
• 参考文献102-106
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的项目106-108
• 致谢108-109
• 详细摘要109-113

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本文编号：1036316