半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析 - 图文

江苏科技大学本科生毕业设计（论文）

2.2.2 基础性原理

不论是几何非线性，还是材料非线性问题，通过有限元离散，都可以归结为求解一个N个变量，N个方程的非线性方程组，即

?1(a1,...,aN)?0{ ?N(a1,...,aN)?0式中，a1,...,aN是未知量，?1,...,?N是实值函数，它们一般是未知量的非线性函数。如果采用矢量符号，则有：

??T?Ta?[a1a2...aN],??[?1?2...?N],0?[00...0]T，

可简单表示为下式：

????（a）?0

为了强调其力学含义和便于讨论，可将方程改写成下式：

?????（a）?P（a）?R?0,

??（a）式中，P是一个矢量函数，R是一个已知矢量。a在全量问题的有限元位移表述?（a）里，代表的是未知的节点位移矢量，P表示内力等效节点力矢量，R表示载荷等效

???节点力矢量，因此?（a）?0就是节点的平衡方程，式中的每个分量方程就对应一个相

?应的自由度的平衡。在增量问题考虑中，则a是位移增量矢量，R是载荷增量矢量。

2.2.3 非线性有限元分析需考虑的问题

非线性问题根据不同的形成原因可以分为三类：材料非线性、几何非线性和边界非线性。我们考虑的讨论的主要是材料和几何非线性问题。

材料非线性：因为材料本身非线性应力—应变关系而产生结构响应的非线性叫做材料非线性。这种非线性是最常见的，例如船体的钢材在受到较大的应力时会发生屈服，这时候材料的响应就是非线性和不可逆的。

几何非线性：结构受较大变形而产生几何形状的变化，这有可能会引起结构的非线性响应。大多数工程结构都存在大应变、大位移等问题，所以几何非线性分析中最常见的典型就是屈曲分析。屈曲包括非线性屈曲和线性屈曲。屈曲分析的作用是计算当结构

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不稳定时的临界载荷，求出结构的失稳形态以及失稳路径，分析整体和局部的稳定性。本文就借助了拥有解决几何非线性问题强大能力的有限元软件ANSYS。

边界非线性：一旦边界条件在分析过程中变化，边界非线性问题由此产生。边界非线性是不连续的。大多数情况下，边界非线性对结构的变形和内力产生的影响比较微小，所以经常被忽略。

2.3 本章小结

本章主要简单介绍了结构极限强度的分析方法和非线性有限元法的基本原理和理论，确定采用非线性有限元法对本文中的模型进行分析计算。针对非线性有限元需要考虑的因素及其存在的一些问题，制定了初步的应对方案。为之后应用ANSYS软件建模，利用非线性有限元法进行极限强度计算奠定了理论基础。

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第三章 ANSYS软件简介

ANSYS程序是一个大型有限元分析软件，它的功能十分强大且令灵活，不仅可以设计，而且可以分析。它的分析范围十分广泛，包括结构、流体、电磁、声学、热等等，应用于石油化工、航空航天、船舶制造、交通、能源等多项领域。ANSYS软件提供了一个功能清单，包括了结构非线性分析、电磁分析、设计优化、网格划分等。本文主要就应用了网格划分即结构非线性分析的功能。用户可以通过对话框和菜单进行功能选择，操作十分简单，用户体验很强。通过ANSYS软件，我们可以发现产品中存在的问题，及时解决，提高产品设计的成功率，降低生产设计成本，节约时间。ANSYS软件还可以与常用的绘图软件CAD实现数据资源交换共享。

3.1 ANSYS软件的发展过程

20世纪70年代，ANSYS公司成立了。公司一开始就牢牢把握住有限元软件的发展方向，在同行业中一直是领跑的状态。

如今的ANSYS软件和最初的版本有很大的区别，已经不局限于线性结构分析和热分析，也能够在小型个人电脑上使用。现在的ANSYS软件完善了很多，功能丰富，操作更为方便，在很多方面都有了巨大的改进和提高。

3.2 ANSYS软件的使用环境

ANSYS软件功能强大，设计分析十分灵活。现在的ANSYS软件不同于最初的版本，现在它可以不局限在大型计算机上使用，可以在PC机、NT工作站等各类计算机上浮动运行，它所有的产品系列和工作平台都可以兼容数据文件。在PC机上建成的模型可以在巨型机上运行，这提供了一个多领域多变工程问题求解的平台。

ANSYS能与许多CAD软件共享数据，生成多种模型文件格式。在AutoCAD、NASTRAN等系统下生成的几何数据，可通过ANSYS的数据接口传入ANSYS，再利用ANSYS软件将模型划分网格求解，节省建模时间，提升了工作效率。

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3.2 ANSYS软件的功能

ANSYS软件有简单线性分析和复杂非线性分析等多种有限元分析的能力。ANSYS分析过程一般有三个步骤：

1、创建有限元模型 2、逐步施加载荷，进行求解 3、查看分析结果

有限元分析中，ANSYS程序一般使用三个模块：PREP7（前处理模块）SOLUTION（求解模块）POST1和POST26（后处理模块）。前处理包括实体建模和网格划分两项，用户可以通过前处理模块，检出有限元模型。求解模块就是对已建模型施加一定的边界条件和载荷，进行有限元计算。后处理模块是对计算结果进行处理，将结果用图形的方式呈现出来，用图表、曲线的方式输出。

3.3 ANSYS软件的技术特点

与其他有限元分析软件对比，ANSYS软件有以下鲜明的技术特点： 1、有实现多场和多场耦合的功能

2、具有前处理、后处理、分析求解和多场分析等多项功能 3、有流场优化功能，这是其他软件不具备的 4、非线性分析功能强大 5、可以快速求解

6、支持PC机和巨型计算机等所有硬件平台 7、能够实现数据文件兼容 8、所有硬件平台界面都是统一的

9、与大多数CAD软件有接口，可以实现数据共享 10、可以进行智能网格分析 11、用户开发环境良好 12、产品系列多层次

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