摘要：为确保在现有设备设施条件下超大型导管架建造的安全，迫切需要进行现有滑道的强度分析以及建造支撑的优化设计及稳定性计算。结合有限元软件ANSYS的数值模拟进行导管架滑道荷载分布的计算，利用对导管架结构建造时支撑钢梁的优化来改善导管架对滑道荷载的分布，提取优化后的载荷分布来使滑道地基、码头承台及灌注柱在强度校核中满足规范要求，以保证在对原有滑道不需进行改造的条件下能够安全生产，有效地保证了工期并节约了成本。在荷载分布的计算中，采用了有限单元法及AN⁃SYS的APDL参数化语言进行建模和计算，引入批处理的方式来运行不同工况的计算模型，自动提取大量的荷载分布数据，并按要求进行排序，节约了大量的前后处理时间，为后续的工程项目探出一条新的思路。

　　关键词：导管架；有限元法；ANSYS；APDL

　　0引言

　　随着人类对海洋的探索以及对石油的需求，海洋石油的勘探和开采越来越向着深海进军。固定式的海洋石油平台也越来越大，水深已向200 m到300 m发展。作为建造海洋石油平台的常见方式之一，导管架平台结构简单、安全可靠、造价低廉、适应性强[1]。导管架作为海洋石油平台最重要的支撑结构，自重也越来越大，建造难度和场地要求也成倍增加。

　　大型深水导管架通常采用卧式建造的方式[2]。以某项目为例，导管架结构自重达2万t，为超大型导管架。承建这样的导管架结构，加上建造辅助的钢梁及水泥滑块，总重将超过2.7万t，对建造场地上的滑道承载能力造成严峻的考验。除了依靠滑道原有的安全余量，最为关键的是对导管架结构建造时的支撑结构进行优化来改善导管架对滑道的荷载分布。若能将2万t的荷载较为均匀地分布在滑道上，并且使其最终压力在对滑道梁及其以下结构的强度校核上满足规范要求[3-4]，这样就不需对原有滑道进行改造，将有效地节约工期及成本，以保证项目的顺利实施。

　　前人针对国内某大型深水导管架结构总装的实际需求，阐述了大型深水导管架结构总装垫墩的设计过程，采用ANSYS和SACS有限元软件分析与手工计算相结合的方法对垫墩进行设计和计算，对垫墩强度、稳定性、水泥滑块强度和地基承载力等部分也进行了校核分析[5]；还有研究者以数值模拟与理论分析相结合的方法，结合某大型导管架滑移下水设计实例，建立了包含导管架和下水驳船的参数化有限元仿真模型，确定下水参数的合理取值范围，选择有代表性的数值进行不同的工况组合，对导管架滑移下水过程进行三维时域数值模拟，研究导管架在驳船上的放置位置、滑道滑动摩擦因数、导管架重量与重心位置等导管架下水运动规律，找出最为合理的设计参数，为导管架滑移下水方案的优化设计提供理论依据[6]，可供参考。但以上研究方法和结论尚不能解决本文提出的2万t以上超大型导管架荷载均匀分布于滑道的问题。

　　对于重型钢结构及其支撑的承载力分布，由于结构的复杂性，材料的多样性，以及在移动中各个工况产生的大量载荷数据，对计算机的资源配置和数据处理分析能力有着极高的要求，而且需要考虑在优化过程中可能的较多次数的拟合优化修改，如果没有自动化功能的函数和命令流集合，模型的修改和数据的处理将会需要极大的人力和物力。采用本文的方法，将极大提高建模和数据分析的功效和准确性。

　　1建立有限元求解方程及特性矩阵

　　随着计算机在数值计算方面的发展，计算结构力学成为一种常用结构力学计算的方法，即离散化方法，而其中运用较广的是有限元法、有限差分法等[7-8]。由于在建造状态下，结构无外载荷作用，在水平面上无位移，结构对滑道的荷载主要由重力产生；而且在出货状态下结构是缓慢移动，因此，可仅对结构在弹性力学范围内作超静定的应力分析[9]。

　　由于经典结构力学在求解这种大型复杂的结构问题上求解难度较大，而本次分析所采用的是基于最小位能原理和位移元的有限单元法。所谓位移元是基于最小位能原理并以结点位移为基本未知量的有限单元，这也是固体力学有限单元法中应用最为广泛的一种单元类型。有限元的单元特性矩阵包括插值函数矩阵、应变矩阵，但最终要建立的是单元刚度矩阵和载荷向量，并用以形成有限单元法的求解方程[10]。

　　由以上讨论可知，结构的整体刚度矩阵K是单元刚度矩阵集合而成，也具有明显的物理意义：K的任一元素Kij是结构第j个结点位移为单位值而其它结点位移皆为零时，需在第i个结点位移方向上施加的结点力的大小。

　　2建立有限元模型

　　CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(Fi⁃nite Element Method，FEM)、边界元法(Boundary Ele⁃ment Method，BEM)、有限差分法(Finite Difference Ele⁃ment Method，FDM)等。ANSYS作为是一种大型通用有限元分析(FEA)软件，采用有限元法是最常用的计算机辅助工程(CAE)软件之一。而APDL语言无疑是ANSYS软件的一个亮点，APDL(ANSYS Parametric De⁃sign Language)，作为一种参数化设计语言，APDL不仅可实现优化设计和自适应网格划分，还可以编写出参数化命令流文件，用以实现有限元分析的全过程，即建立参数化的几何模型、材料属性的定义、网格控制与划分、参数化的载荷和边界条件定义、及参数化的求解进程控制和后处理。本文即采用ANSYS软件及APDL语言来进行分析和计算。

　　建立整体结构的有限元计算模型，除了根据相关图纸文件建立几何模型，还包括单元类型的选择、有限元网格的划分(数值离散)和边界条件的设置等。本次计算应用有限元通用软件ANSYS进行建模计算，模型中包括了导管架结构、附属构件、滑靴、支撑钢梁及水泥滑块等各主要结构。为了达到既能较真实地模拟实际结构和重力分布情况，又不使模型过于庞大，为模型中不同的结构选择了不同的单元类型。表1所示为本模型的单元类型。

　　应用ANSYS的APDL参数化建模语言编写命令流文件进而生成有限元模型。边界条件设置为水泥滑块底部垂直单向约束，局部三向约束，并施加全局重力加速度。

　　整体及局部模型如下图所示，图1所示为大型导管架的整体模型，包括整体桁架结构和下部的滑靴结构及支撑钢梁，其中滑靴包含了LAUNCH CRADLE和木头，下方为支撑钢梁和水泥滑块，这些可以从图2的局部模型更清楚地看到。图3和图4是导管架下部节点与滑靴及钢梁滑块的局部模型。图5和图6则是支撑钢梁和水泥滑块利用APDL控制划分网格的效果。

　　模型在网格划分后，生成的节点数为212 304，具有超过100万的自由度(DOFs)，相当于要求解100万个以上的联立方程。在当前的计算机配置下，无法采用常用的基于直接消去法的稀疏矩阵求解器(Sparse Direct Solver)，因而采用了基于迭代法的共轭梯度求解器(PCG Solver)，使计算能够顺利运行。

　　3数据结果处理及分析

　　导管架是一个由钢板、钢管焊接而成的空间桁架结构。在卧式建造时，每一水平层与导管腿在滑靴[10]上所形成的大节点形成了压力的集中区域，其压力值是周围区域的数十倍以上，因此计算的目的是寻找合适的支撑结构(钢梁)形式，使得这些大节点的压力分布范围尽量大，并控制局部节点压力力最大值在规范要求范围内[11-12]。经过反复计算对比，对导管架结构及支钢撑梁采取了如下措施：(1)综合考虑到重量、抗压性能及经济性等问题，导管架下部支撑采用钢梁和混凝土块结合的形式；(2)在大节点处的导管腿内部加密加强环，加强了导管架大节点上导管腿的刚度，使得大节点长度尽量长，压力相应分布开一些；(3)改造钢梁，将钢梁设计为双层箱形梁，上层为单箱，下层为并排3箱，使钢梁顶部的压力经过钢梁的多层传递能相对分散。

　　在通过对模型的后处理中，可以从结果模型中提取各种所需曲线，显示各结构受力大小及应力、变形等，更直观地再现了模型的荷载分布和应力状态。以下为部分结果图示。其中图7~8作为整体和局部展示利用APDL语言控制显示出的底部载荷力的分布，非常直观。图9则是导管架整体的变形检查，图10是下部支撑钢梁的应力云图检查。这些图片均可在通过APDL语言控制显示参数后自动生成。

　　最后从结果模型中提取所有工况下的滑道荷载分布，根据APDL定义的函数和命令流子程序调用，自动将提取的载荷数据依次从模型数据库里读出，按节点空间位置顺序排列，生成数据表格，可以更方便直观地对滑道荷载分布表进行后继的处理和分析。在数据结果超出码头的使用条件时，对结构进行局部优化和调整，并通过修正APDL命令流文件内的相应参数，即可迅速重新生成结构的离散化模型，可节约大量的模型重建及计算结果数据的处理时间，减少人为的失误，得到了经得起理论推敲和实践验证的结论。4结束语

　　本文中的模型利用ANSYS的APDL参数化建模语言生成，通过自定义的函数和调用子程序，这样可以通过修改少量参数便可自动生成不同工况的计算模型。同时，在求解时采用批处理的方式来运行不同工况的计算模型，并自动输出按要求排序的荷载数据列表，节约了大量的前后处理时间。

　　可以利用接触单元来连接不同材料、不同网格的单元，进行不同部分模型相互的衔接，并且这也使得多人合作来进行超大型模型的建立成为可能。

　　本文通过利用单机进行超大型模型计算(超100万总自由度)的一个实例，证明了离散化的数值仿真，对超大型钢结构，特别应用于深海油气田开的重型桁架式钢结构，有着多种工况，采用多种单元类型，多种自由度节点的耦合，以及数据的处理，是非常成功的应用。相信以此为基础，经过有志于此的工程技术人员的共同努力，今后定会有更好的方法、软件来解决此类问题。

　　参考文献：

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　　[2]陈钰,谭望元,宋峥嵘.文昌14-3深水导管架的建造[C]//2007年度海洋工程学术会议论文集,2007.

　　[3]SY/T 10030-2004,海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法工作应力设计法[S].

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