本文關(guān)鍵詞：自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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【摘要】：隨著陸地油氣資源的不斷開采而日益減少,人類社會(huì)對(duì)海上油氣資源的開采越來越關(guān)注,不同于陸地資源開發(fā),由于海洋資源開發(fā)受到海上作業(yè)環(huán)境的限制,必需建造專用的海洋工作平臺(tái)。自升式鉆井平臺(tái)由于其具有操作靈活、定位能力強(qiáng)、適應(yīng)水域廣和可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn),在海洋油氣資源鉆探開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。懸臂梁式自升式平臺(tái)是現(xiàn)在自升式鉆井平臺(tái)的主流型式,懸臂梁結(jié)構(gòu)作為鉆井作業(yè)過程中的主要承載平臺(tái),其能夠有效提升平臺(tái)作業(yè)能力和范圍,大大提高了作業(yè)效率。因此,對(duì)自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析研究,為我國海洋石油裝備的設(shè)計(jì)及建造提供了技術(shù)建議和工程參考。本文以國內(nèi)某船廠建造的350ft自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,建立了關(guān)于懸臂梁受力模型,在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析,最后在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。本文的具體研究內(nèi)容如下所示:(1)根據(jù)自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁的結(jié)構(gòu)特征、作業(yè)環(huán)境及本文研究目的,深入探討論文研究過程中需要用到的有限元理論及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,為懸臂梁結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化研究提供必要理論依據(jù)。(2)根據(jù)自升式鉆井平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境及懸臂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),首先進(jìn)行了懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)研究,并根據(jù)試驗(yàn)加載方案進(jìn)行了數(shù)值分析,為后續(xù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究奠定基礎(chǔ);根據(jù)懸臂梁實(shí)際作業(yè)工況,研究懸臂梁所受的載荷,對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)在不同井位和工況下進(jìn)行強(qiáng)度、剛度特性分析并校核,同時(shí)研究了風(fēng)向?qū)冶哿焊鞴ぷ鞴r結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,為后續(xù)懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。(3)懸臂梁在生產(chǎn)作業(yè)過程中,受到的載荷多且復(fù)雜,為了研究其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,運(yùn)用Lanczos法對(duì)懸臂梁進(jìn)行模態(tài)分析,獲取了結(jié)構(gòu)前幾階固有頻率及振型;在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了頻率響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,得到了相應(yīng)的結(jié)果和結(jié)論。(4)根據(jù)懸臂梁結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果及相關(guān)校核規(guī)范,通過分析選定合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)。通過相關(guān)參數(shù)的設(shè)定,依托Nastran優(yōu)化功能對(duì)懸臂梁兩側(cè)縱梁、管架甲板及底甲板進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),通過不同結(jié)構(gòu)形式的比較,從而得到懸臂梁的最佳結(jié)構(gòu)形式,以實(shí)現(xiàn)減輕懸臂梁結(jié)構(gòu)重量的目標(biāo)。并驗(yàn)證了優(yōu)化后結(jié)構(gòu)型式的可行性,對(duì)比分析了優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能。(5)在傳統(tǒng)型懸臂梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種雙腹板型懸臂梁結(jié)構(gòu);然后對(duì)新型懸臂梁結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)型懸臂梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對(duì)比分析。
【關(guān)鍵詞】：自升式鉆井平臺(tái) 懸臂梁 結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 雙腹板型懸臂梁
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U674.381
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第1章 緒論17-27
• 1.1 課題研究的背景及意義17-20
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)20-24
• 1.2.1 自升式平臺(tái)懸臂梁研究現(xiàn)狀20-23
• 1.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀23-24
• 1.2.3 自升式平臺(tái)懸臂梁發(fā)展趨勢(shì)24
• 1.3 主要研究內(nèi)容24-25
• 1.4 本文的創(chuàng)新點(diǎn)25-27
• 第2章 數(shù)值計(jì)算基本理論27-40
• 2.1 有限元基礎(chǔ)理論27-32
• 2.1.1 有限元發(fā)展概況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過程30-32
• 2.2 MSC.Nastran結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論32-38
• 2.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)基礎(chǔ)33-34
• 2.2.2 尋優(yōu)策略34
• 2.2.3 尋優(yōu)方法34-38
• 2.3 本章小結(jié)38-40
• 第3章 自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究40-62
• 3.1 引言40
• 3.2 懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究40-46
• 3.2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)40-41
• 3.2.2 懸臂梁設(shè)計(jì)參數(shù)及載荷41
• 3.2.3 懸臂梁結(jié)構(gòu)受力模型的建立41-44
• 3.2.4 懸臂梁結(jié)構(gòu)有限元模型的建立44-45
• 3.2.5 材料特性45
• 3.2.6 邊界條件分析45-46
• 3.3 負(fù)荷試驗(yàn)46-52
• 3.3.1 加載方案46-47
• 3.3.2 試驗(yàn)步驟47-49
• 3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果49-52
• 3.4 計(jì)算載荷及工況分析52-55
• 3.4.1 計(jì)算載荷52-55
• 3.4.2 計(jì)算工況分析55
• 3.5 計(jì)算結(jié)果分析55-60
• 3.5.1 工況1結(jié)果分析55-56
• 3.5.2 工況2結(jié)果分析56-57
• 3.5.3 工況3結(jié)果分析57-58
• 3.5.4 風(fēng)暴自存工況結(jié)果分析58-59
• 3.5.5 風(fēng)向?qū)ψ鳂I(yè)工況應(yīng)力影響分析59-60
• 3.6 強(qiáng)度校核60-61
• 3.7 本章小結(jié)61-62
• 第4章 自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究62-76
• 4.1 引言62
• 4.2 懸臂梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析62-67
• 4.2.1 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)62-63
• 4.2.2 模態(tài)分析的方法63
• 4.2.3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析63-67
• 4.3 懸臂梁結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)分析67-71
• 4.3.1 頻率響應(yīng)分析基本過程67-68
• 4.3.2 懸臂梁載荷分析68
• 4.3.3 懸臂梁在各方向上頻率響應(yīng)計(jì)算68-71
• 4.4 懸臂梁結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析71-75
• 4.4.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的方法71-72
• 4.4.2 沖擊載荷確定72-73
• 4.4.3 時(shí)間步長的確定73
• 4.4.4 結(jié)果與分析73-75
• 4.5 本章小結(jié)75-76
• 第5章 自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究76-88
• 5.1 引言76
• 5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡介76-77
• 5.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)77-79
• 5.3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型78
• 5.3.2 設(shè)計(jì)變量(DV)78
• 5.3.3 狀態(tài)變量(SV)78-79
• 5.3.4 目標(biāo)函數(shù)(OBJ)79
• 5.4 懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化79-82
• 5.4.1 尺寸優(yōu)化簡介80
• 5.4.2 設(shè)計(jì)變量選取80-81
• 5.4.3 目標(biāo)函數(shù)的確定81-82
• 5.4.4 狀態(tài)變量的選取82
• 5.5 優(yōu)化結(jié)果與分析82-85
• 5.6 優(yōu)化對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響分析85-86
• 5.7 本章小結(jié)86-88
• 第6章 雙腹板型懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究88-100
• 6.1 引言88
• 6.2 雙腹板型懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)88-90
• 6.3 雙腹板型懸臂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究90-94
• 6.3.1 有限元模型的建立90
• 6.3.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析90-94
• 6.4 雙腹板型懸臂梁鉆井性能研究94-97
• 6.4.1 外伸距離對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響95-96
• 6.4.2 許用鉆井載荷對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響96-97
• 6.5 本章小結(jié)97-100
• 第7章 總結(jié)與展望100-102
• 7.1 總結(jié)100-101
• 7.2 展望101-102
• 參考文獻(xiàn)102-106
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參與的項(xiàng)目106-108
• 致謝108-109
• 詳細(xì)摘要109-113

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