基于ANSYS的固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

石樂(lè)　沈精虎　 彭婷

摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的易出錯(cuò)、重復(fù)勞動(dòng)、設(shè)計(jì)流程復(fù)雜且對(duì)設(shè)計(jì)人員依賴度高等問(wèn)題，本文基于ANSYS的固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過(guò)Qt設(shè)計(jì)界面編輯和讀取參數(shù)，實(shí)現(xiàn)固定式鉆井平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過(guò)ANSYS的APDL語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定式鉆井平臺(tái)的參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用ANSYS，省略了設(shè)計(jì)人員操作ANSYS的流程。計(jì)算完成后，系統(tǒng)將計(jì)算結(jié)果及云圖直接顯示到界面中，便于設(shè)計(jì)人員直觀地對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，使用固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與人員設(shè)計(jì)結(jié)果相比無(wú)明顯差異，且采用該系統(tǒng)后設(shè)計(jì)時(shí)間大幅降低，設(shè)計(jì)過(guò)程準(zhǔn)確，極大提高了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)降低了對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求。該研究為固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ANSYS; APDL編程; 二次開(kāi)發(fā); 參數(shù)化

中圖分類號(hào)： TP391.7; TP271+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著陸地油氣資源開(kāi)采力度的日漸加大和油氣儲(chǔ)量的不斷減少，占全球資源總量約34%的海洋石油資源已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)和新一輪油氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[1]。黨的十八大報(bào)告明確提出“海洋強(qiáng)國(guó)”的發(fā)展戰(zhàn)略，《中國(guó)制造2025》把海洋高船舶技術(shù)領(lǐng)域作為重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，這突出體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)大力發(fā)展海洋資源的信心和決心[2-3]。目前，海洋鉆井平臺(tái)作為海上油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備之一，已在世界范圍內(nèi)受到了普遍關(guān)注[4-6]。其中，固定式鉆井平臺(tái)是指固定于海底，用于鉆井作業(yè)和生活場(chǎng)所的裝置，其使用場(chǎng)景較為廣泛，且建模簡(jiǎn)單可參數(shù)化，因此許多研究者對(duì)固定式鉆井平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。ANSYS作為大型通用有限元軟件之一，在結(jié)構(gòu)、熱、電、磁、流體[7-8]等領(lǐng)域都頗有建樹(shù)，但該軟件在某些特定專業(yè)問(wèn)題上流程復(fù)雜，且操作不便。傳統(tǒng)的固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)人員要求很高，設(shè)計(jì)人員需手動(dòng)建模、劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行計(jì)算[9-11]，這個(gè)過(guò)程重復(fù)繁瑣復(fù)雜，并且計(jì)算結(jié)果和效果圖是以文件形式保存，設(shè)計(jì)人員需手動(dòng)查找分析結(jié)果，導(dǎo)致結(jié)果分析不夠直觀。因此，為便于特定用戶使用、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程、提高生產(chǎn)效率和降低對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求，本文基于ANSYS對(duì)固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)固定式鉆井平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及有限元分析，同時(shí)將分析結(jié)果顯示在系統(tǒng)界面上，有助于設(shè)計(jì)人員直觀的分析設(shè)計(jì)結(jié)果。該研究為固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一種新的參考。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

ANSYS軟件提供4種二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，分別為參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL[12]、用戶圖形界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言UIDL、工具控制語(yǔ)言Tcl/Tk及用戶可編程特性UPFs[13]。由于APDL語(yǔ)言可將ANSYS命令組織起來(lái)，且能夠完成參數(shù)化建模、加載求解、后處理結(jié)果查看等操作，所以本設(shè)計(jì)采用APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程分為前處理、計(jì)算和后處理模塊[14-15]。其中，前處理模塊負(fù)責(zé)讀取用戶通過(guò)界面輸入的參數(shù)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等;計(jì)算模塊將界面收集到的參數(shù)自動(dòng)生成APDL命令，通過(guò)使用APDL命令，在后臺(tái)調(diào)

用ANSYS軟件進(jìn)行參數(shù)化建模及有限元分析;待軟件分析完成后，后處理模塊將ANSYS計(jì)算結(jié)果及云圖顯示在界面上，設(shè)計(jì)人員在此基礎(chǔ)上得出分析結(jié)果。ANSYS二次開(kāi)發(fā)流程如圖1所示[16]。

2固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1編輯和定義參數(shù)

定義導(dǎo)管架、甲板、單元類型、環(huán)境參數(shù)、材料參數(shù)和求解參數(shù)等一系列參數(shù)，通過(guò)Qt搭建的界面可直接顯示參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，完成與用戶的交互，交互界面參數(shù)編輯及修改界面展示圖如圖2所示。以鋼材為例，對(duì)固定式鉆井平臺(tái)進(jìn)行有限元分析。假設(shè)海水水面處的水流速度為2.35 m/s，水深為45 m，在10階模態(tài)下進(jìn)行計(jì)算，得到固定式鉆井平臺(tái)的最大位移、最大應(yīng)力、10階模態(tài)下對(duì)應(yīng)頻率、靜強(qiáng)度云圖、模態(tài)云圖及諧響應(yīng)云圖。圖2中，A～G分別代表鉆井平臺(tái)的底、高、上高、甲板厚度、梁高及甲板上單元型號(hào)等尺寸，此處不再贅述。

2.2生成參數(shù)存儲(chǔ)文件

將讀取的參數(shù)保存在文件中，并給文件命名為parameter.mac，以便在APDL編程中實(shí)現(xiàn)ANSYS對(duì)參數(shù)的調(diào)用及修改。該文件可直接通過(guò)記事本打開(kāi)并修改。

2.3編寫(xiě)運(yùn)行文件

1）編程讀取參數(shù)。通過(guò)APDL命令讀取parameter文件中的參數(shù)，根據(jù)讀取的參數(shù)編寫(xiě)APDL命令實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，鉆井平臺(tái)有限元模型如圖3所示。

2）網(wǎng)格劃分。使用APDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)化模型的網(wǎng)格劃分，以實(shí)現(xiàn)ANSYS對(duì)固定式鉆井平臺(tái)的有限元分析。

3）對(duì)平臺(tái)的靜強(qiáng)度、模態(tài)和諧響應(yīng)進(jìn)行分析。靜強(qiáng)度分析是指研究結(jié)構(gòu)在常溫條件下承受載荷的能力，通常簡(jiǎn)稱為強(qiáng)度分析。根據(jù)應(yīng)力最大斷面或部位所承受的載荷，求出應(yīng)力分布，再找出包括制造和劣化等影響在內(nèi)的材料強(qiáng)度的分布，求得結(jié)構(gòu)的可靠度;模態(tài)分析[17-18]是指研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種方法，一般應(yīng)用在工程振動(dòng)領(lǐng)域。其中，模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，分析這些模態(tài)參數(shù)的過(guò)程稱為模態(tài)分析，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要辦法;諧響應(yīng)分析[19]是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)值（通常是位移）對(duì)頻率的曲線，從而使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)性動(dòng)力特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動(dòng)引起的有害效果[20]。靜強(qiáng)度、模態(tài)、諧響應(yīng)分析對(duì)固定式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

4）通過(guò)Qt搭建界面實(shí)現(xiàn)功能。使用Qt搭建界面，在Qt中用C++編寫(xiě)批處理文件，該文件可直接調(diào)用ANSYS進(jìn)行計(jì)算。批處理文件可在界面中直接運(yùn)行，后臺(tái)根據(jù)輸入?yún)?shù)調(diào)用ANSYS進(jìn)行計(jì)算，待ANSYS后臺(tái)運(yùn)行結(jié)束后，界面上將直接顯示計(jì)算結(jié)果及圖片，用戶通過(guò)界面完成ANSYS分析計(jì)算，不需要直接操作ANSYS。

3分析結(jié)果

3.1模態(tài)、強(qiáng)度、諧響應(yīng)分析云圖

通過(guò)對(duì)平臺(tái)靜強(qiáng)度、模態(tài)、諧響應(yīng)分析，分別得到對(duì)應(yīng)的結(jié)果圖，并將得到的結(jié)果圖顯示在界面上。實(shí)例下的平臺(tái)靜強(qiáng)度分析如圖4所示，實(shí)例下的模態(tài)分析如圖5所示，實(shí)例下的諧響應(yīng)分析如圖6所示。由圖4可以看出，在給定參數(shù)條件下，最大變形發(fā)生在紅色位置，即鉆井平臺(tái)頂部;由圖5可以看出，在給定參數(shù)條件下，一階模態(tài)下如發(fā)生共振時(shí)的最大變形位置為紅色位置;由圖6可以看出，圖中的偏移幅值即為平臺(tái)相對(duì)初始位置偏移的值，諧響應(yīng)分析表示在給定參數(shù)條件下，隨著時(shí)間的增大，平臺(tái)位移逐步變小。因此，在當(dāng)前參數(shù)下，平臺(tái)可以克服共振和疲勞等問(wèn)題。

3.2計(jì)算數(shù)據(jù)

通過(guò)有限元分析，得到平臺(tái)的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大位移以及模態(tài)分析結(jié)果。由圖4可見(jiàn)，以鋼材為例，假設(shè)海水水面處水流速度2.35 m/s，水深45 m，在10階模態(tài)下進(jìn)行計(jì)算的最大位移值為304 mm，該值所在位置的X、Y、Z坐標(biāo)值分別為12 500，3 000，15 000;當(dāng)前參數(shù)下的最大應(yīng)力為0.166×10²MPa，該值所在位置的X、Y、Z坐標(biāo)分別為3 000，3 000，8 000。階模態(tài)下的分析結(jié)果如表1所示，由表1可以看出，在給定參數(shù)條件下，10階模態(tài)中各個(gè)階次模態(tài)發(fā)生共振頻率，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)最大位移值、最大應(yīng)力值及表1中數(shù)據(jù)，判斷平臺(tái)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于ANSYS軟件開(kāi)發(fā)了固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了固定式鉆井平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)計(jì)算，并以鋼材為例，假設(shè)海水水面處水流速度為2.35 m/s，水深為45 m，在10階模態(tài)下進(jìn)行計(jì)算，使用固定式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)間節(jié)省約70%，設(shè)計(jì)人員只需簡(jiǎn)單設(shè)置參數(shù)等待結(jié)果即可，而設(shè)計(jì)人員如需尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，只需不斷修改參數(shù)，分析計(jì)算結(jié)果，省略了修改模型和網(wǎng)格的過(guò)程。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，此系統(tǒng)在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，顯著提高了設(shè)計(jì)效率，降低了對(duì)設(shè)計(jì)人員的依賴。但目前此系統(tǒng)僅僅適用于固定式鉆井平臺(tái)，應(yīng)用場(chǎng)景有限，不具有通用性，實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)的通用化設(shè)計(jì)是未來(lái)需改進(jìn)的方向。

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作者簡(jiǎn)介： 石樂(lè)（1996），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM。

通信作者： 沈精虎（1963），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM和機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化。Email：15493899@qq.com

Development of Fixed Drilling Platform Design System Based on ANSYS

SHI Le， SHEN Jinghu， PENG Ting

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ?Aiming at the problems of error prone， repetitive labor， complex design process and high dependence on designers in the design process of traditional fixed drilling platform， this paper makes a secondary development of ANSYS to design the fixed drilling platform design system. The system realizes the parametric design of the fixed drilling platform by editing and reading the parameters through the Qt design interface， and realizes the parametric modeling， meshing and simulation calculation of the fixed drilling platform through the APDL language of ANSYS. The system automatically calls ANSYS， omitting the process of designers operating ANSYS. After the calculation， the system will directly display the calculation results and cloud map to the interface， which is convenient for designers to intuitively analyze the drilling platform. Specific example results show that there is no significant difference between the design results of the fixed drilling platform design system and the design results of the designers， and after the system is adopted， the design time is greatly reduced and the design process is accurate， which greatly improves the design efficiency and reduces the requirements for the designers. This research realizes the universal desigh fo drilling platform.

Key words： ANSYS; APDL programming; secondary development; parameterization