本文關鍵詞：自升式鉆井平臺懸臂梁結構優(yōu)化設計研究

  更多相關文章： 自升式鉆井平臺 懸臂梁 結構分析 結構優(yōu)化設計 雙腹板型懸臂梁

【摘要】：隨著陸地油氣資源的不斷開采而日益減少,人類社會對海上油氣資源的開采越來越關注,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。自升式鉆井平臺由于其具有操作靈活、定位能力強、適應水域廣和可重復使用等優(yōu)點,在海洋油氣資源鉆探開發(fā)中得到了廣泛的應用。懸臂梁式自升式平臺是現(xiàn)在自升式鉆井平臺的主流型式,懸臂梁結構作為鉆井作業(yè)過程中的主要承載平臺,其能夠有效提升平臺作業(yè)能力和范圍,大大提高了作業(yè)效率。因此,對自升式鉆井平臺懸臂梁結構進行數值分析研究,為我國海洋石油裝備的設計及建造提供了技術建議和工程參考。本文以國內某船廠建造的350ft自升式鉆井平臺懸臂梁結構為研究對象,建立了關于懸臂梁受力模型,在此基礎上對結構進行了強度分析和動態(tài)響應分析,最后在結構分析的基礎上進行結構優(yōu)化設計研究,并對優(yōu)化后的結構進行結構分析。本文的具體研究內容如下所示:(1)根據自升式鉆井平臺懸臂梁的結構特征、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構優(yōu)化設計理論,為懸臂梁結構分析及優(yōu)化研究提供必要理論依據。(2)根據自升式鉆井平臺的作業(yè)環(huán)境及懸臂梁的結構特點,首先進行了懸臂梁負荷試驗研究,并根據試驗加載方案進行了數值分析,為后續(xù)結構強度研究奠定基礎;根據懸臂梁實際作業(yè)工況,研究懸臂梁所受的載荷,對懸臂梁結構在不同井位和工況下進行強度、剛度特性分析并校核,同時研究了風向對懸臂梁各工作工況結構強度的影響,為后續(xù)懸臂梁結構優(yōu)化設計奠定基礎。(3)懸臂梁在生產作業(yè)過程中,受到的載荷多且復雜,為了研究其動態(tài)響應性能,運用Lanczos法對懸臂梁進行模態(tài)分析,獲取了結構前幾階固有頻率及振型;在模態(tài)分析的基礎上,對結構分別進行了頻率響應分析和瞬態(tài)動力學分析,得到了相應的結果和結論。(4)根據懸臂梁結構的有限元分析結果及相關校核規(guī)范,通過分析選定合適的優(yōu)化設計變量、狀態(tài)變量及目標函數。通過相關參數的設定,依托Nastran優(yōu)化功能對懸臂梁兩側縱梁、管架甲板及底甲板進行詳細的結構尺寸優(yōu)化設計,通過不同結構形式的比較,從而得到懸臂梁的最佳結構形式,以實現(xiàn)減輕懸臂梁結構重量的目標。并驗證了優(yōu)化后結構型式的可行性,對比分析了優(yōu)化前后結構動態(tài)性能。(5)在傳統(tǒng)型懸臂梁結構的基礎上,提出一種雙腹板型懸臂梁結構;然后對新型懸臂梁結構與傳統(tǒng)型懸臂梁結構的結構性能進行對比分析。
【關鍵詞】：自升式鉆井平臺 懸臂梁 結構分析 結構優(yōu)化設計 雙腹板型懸臂梁
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢20-24
• 1.2.1 自升式平臺懸臂梁研究現(xiàn)狀20-23
• 1.2.2 結構優(yōu)化設計研究現(xiàn)狀23-24
• 1.2.3 自升式平臺懸臂梁發(fā)展趨勢24
• 1.3 主要研究內容24-25
• 1.4 本文的創(chuàng)新點25-27
• 第2章 數值計算基本理論27-40
• 2.1 有限元基礎理論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結構優(yōu)化設計的基本理論32-38
• 2.2.1 優(yōu)化設計的相關基礎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38-40
• 第3章 自升式鉆井平臺懸臂梁負荷試驗及結構強度研究40-62
• 3.1 引言40
• 3.2 懸臂梁結構設計研究40-46
• 3.2.1 設計標準40-41
• 3.2.2 懸臂梁設計參數及載荷41
• 3.2.3 懸臂梁結構受力模型的建立41-44
• 3.2.4 懸臂梁結構有限元模型的建立44-45
• 3.2.5 材料特性45
• 3.2.6 邊界條件分析45-46
• 3.3 負荷試驗46-52
• 3.3.1 加載方案46-47
• 3.3.2 試驗步驟47-49
• 3.3.3 試驗結果49-52
• 3.4 計算載荷及工況分析52-55
• 3.4.1 計算載荷52-55
• 3.4.2 計算工況分析55
• 3.5 計算結果分析55-60
• 3.5.1 工況1結果分析55-56
• 3.5.2 工況2結果分析56-57
• 3.5.3 工況3結果分析57-58
• 3.5.4 風暴自存工況結果分析58-59
• 3.5.5 風向對作業(yè)工況應力影響分析59-60
• 3.6 強度校核60-61
• 3.7 本章小結61-62
• 第4章 自升式鉆井平臺懸臂梁結構動力響應研究62-76
• 4.1 引言62
• 4.2 懸臂梁結構模態(tài)分析62-67
• 4.2.1 模態(tài)分析的理論基礎62-63
• 4.2.2 模態(tài)分析的方法63
• 4.2.3 模態(tài)計算結果與分析63-67
• 4.3 懸臂梁結構頻率響應分析67-71
• 4.3.1 頻率響應分析基本過程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計算68-71
• 4.4 懸臂梁結構瞬態(tài)動力學分析71-75
• 4.4.1 瞬態(tài)動力學分析的方法71-72
• 4.4.2 沖擊載荷確定72-73
• 4.4.3 時間步長的確定73
• 4.4.4 結果與分析73-75
• 4.5 本章小結75-76
• 第5章 自升式鉆井平臺懸臂梁結構優(yōu)化設計研究76-88
• 5.1 引言76
• 5.2 結構優(yōu)化設計的簡介76-77
• 5.3 結構優(yōu)化設計的理論基礎77-79
• 5.3.1 結構優(yōu)化設計的數學模型78
• 5.3.2 設計變量(DV)78
• 5.3.3 狀態(tài)變量(SV)78-79
• 5.3.4 目標函數(OBJ)79
• 5.4 懸臂梁結構尺寸優(yōu)化79-82
• 5.4.1 尺寸優(yōu)化簡介80
• 5.4.2 設計變量選取80-81
• 5.4.3 目標函數的確定81-82
• 5.4.4 狀態(tài)變量的選取82
• 5.5 優(yōu)化結果與分析82-85
• 5.6 優(yōu)化對結構模態(tài)的影響分析85-86
• 5.7 本章小結86-88
• 第6章 雙腹板型懸臂梁結構設計研究88-100
• 6.1 引言88
• 6.2 雙腹板型懸臂梁結構設計88-90
• 6.3 雙腹板型懸臂梁結構強度研究90-94
• 6.3.1 有限元模型的建立90
• 6.3.2 強度計算結果分析90-94
• 6.4 雙腹板型懸臂梁鉆井性能研究94-97
• 6.4.1 外伸距離對結構性能的影響95-96
• 6.4.2 許用鉆井載荷對結構性能的影響96-97
• 6.5 本章小結97-100
• 第7章 總結與展望100-102
• 7.1 總結100-101
• 7.2 展望101-102
• 參考文獻102-106
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文及參與的項目106-108
• 致謝108-109
• 詳細摘要109-113

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本文編號：1036316