基于ANSYS的固定式鉆井平臺設計系統開發

石樂　沈精虎　 彭婷

摘要： 針對傳統固定式鉆井平臺設計過程中存在的易出錯、重復勞動、設計流程復雜且對設計人員依賴度高等問題，本文基于ANSYS的固定式鉆井平臺設計系統進行二次開發設計。該系統通過Qt設計界面編輯和讀取參數，實現固定式鉆井平臺的參數化設計，通過ANSYS的APDL語言，實現對固定式鉆井平臺的參數化建模、網格劃分和仿真計算，系統自動調用ANSYS，省略了設計人員操作ANSYS的流程。計算完成后，系統將計算結果及云圖直接顯示到界面中，便于設計人員直觀地對鉆井平臺進行分析。分析結果表明，使用固定式鉆井平臺設計系統與人員設計結果相比無明顯差異，且采用該系統后設計時間大幅降低，設計過程準確，極大提高了設計效率，同時降低了對設計人員的要求。該研究為固定式鉆井平臺設計系統的優化提供了理論依據。

關鍵詞：ANSYS; APDL編程; 二次開發; 參數化

中圖分類號： TP391.7; TP271+.2文獻標識碼： A

隨著陸地油氣資源開采力度的日漸加大和油氣儲量的不斷減少，占全球資源總量約34%的海洋石油資源已成為人們關注的焦點和新一輪油氣勘探開發的熱點[1]。黨的十八大報告明確提出“海洋強國”的發展戰略，《中國制造2025》把海洋高船舶技術領域作為重點發展目標，這突出體現了我國對大力發展海洋資源的信心和決心[2-3]。目前，海洋鉆井平臺作為海上油氣勘探開發的重要設備之一，已在世界范圍內受到了普遍關注[4-6]。其中，固定式鉆井平臺是指固定于海底，用于鉆井作業和生活場所的裝置，其使用場景較為廣泛，且建模簡單可參數化，因此許多研究者對固定式鉆井平臺進行開發設計。ANSYS作為大型通用有限元軟件之一，在結構、熱、電、磁、流體[7-8]等領域都頗有建樹，但該軟件在某些特定專業問題上流程復雜，且操作不便。傳統的固定式鉆井平臺設計方法對設計人員要求很高，設計人員需手動建模、劃分網格，并進行計算[9-11]，這個過程重復繁瑣復雜，并且計算結果和效果圖是以文件形式保存，設計人員需手動查找分析結果，導致結果分析不夠直觀。因此，為便于特定用戶使用、簡化設計過程、提高生產效率和降低對設計人員的要求，本文基于ANSYS對固定式鉆井平臺設計系統進行二次開發，以實現對固定式鉆井平臺的參數化設計及有限元分析，同時將分析結果顯示在系統界面上，有助于設計人員直觀的分析設計結果。該研究為固定式鉆井平臺設計系統的優化提供了一種新的參考。

1系統設計原理

ANSYS軟件提供4種二次開發技術，分別為參數化設計語言APDL[12]、用戶圖形界面設計語言UIDL、工具控制語言Tcl/Tk及用戶可編程特性UPFs[13]。由于APDL語言可將ANSYS命令組織起來，且能夠完成參數化建模、加載求解、后處理結果查看等操作，所以本設計采用APDL語言進行二次開發。系統設計過程分為前處理、計算和后處理模塊[14-15]。其中，前處理模塊負責讀取用戶通過界面輸入的參數，包括設計參數和環境參數等;計算模塊將界面收集到的參數自動生成APDL命令，通過使用APDL命令，在后臺調

用ANSYS軟件進行參數化建模及有限元分析;待軟件分析完成后，后處理模塊將ANSYS計算結果及云圖顯示在界面上，設計人員在此基礎上得出分析結果。ANSYS二次開發流程如圖1所示[16]。

2固定式鉆井平臺設計系統

2.1編輯和定義參數

定義導管架、甲板、單元類型、環境參數、材料參數和求解參數等一系列參數，通過Qt搭建的界面可直接顯示參數，并對參數進行修改，完成與用戶的交互，交互界面參數編輯及修改界面展示圖如圖2所示。以鋼材為例，對固定式鉆井平臺進行有限元分析。假設海水水面處的水流速度為2.35 m/s，水深為45 m，在10階模態下進行計算，得到固定式鉆井平臺的最大位移、最大應力、10階模態下對應頻率、靜強度云圖、模態云圖及諧響應云圖。圖2中，A～G分別代表鉆井平臺的底、高、上高、甲板厚度、梁高及甲板上單元型號等尺寸，此處不再贅述。

2.2生成參數存儲文件

將讀取的參數保存在文件中，并給文件命名為parameter.mac，以便在APDL編程中實現ANSYS對參數的調用及修改。該文件可直接通過記事本打開并修改。

2.3編寫運行文件

1）編程讀取參數。通過APDL命令讀取parameter文件中的參數，根據讀取的參數編寫APDL命令實現參數化建模，鉆井平臺有限元模型如圖3所示。

2）網格劃分。使用APDL語言實現對參數化模型的網格劃分，以實現ANSYS對固定式鉆井平臺的有限元分析。

3）對平臺的靜強度、模態和諧響應進行分析。靜強度分析是指研究結構在常溫條件下承受載荷的能力，通常簡稱為強度分析。根據應力最大斷面或部位所承受的載荷，求出應力分布，再找出包括制造和劣化等影響在內的材料強度的分布，求得結構的可靠度;模態分析[17-18]是指研究結構動力特性一種方法，一般應用在工程振動領域。其中，模態是指機械結構的固有振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型，分析這些模態參數的過程稱為模態分析，是結構動態設計及設備故障診斷的重要辦法;諧響應分析[19]是計算出結構在幾種頻率下的響應值（通常是位移）對頻率的曲線，從而使設計人員能預測結構的持續性動力特性，驗證設計是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果[20]。靜強度、模態、諧響應分析對固定式鉆井平臺的設計具有十分重要的指導意義。

4）通過Qt搭建界面實現功能。使用Qt搭建界面，在Qt中用C++編寫批處理文件，該文件可直接調用ANSYS進行計算。批處理文件可在界面中直接運行，后臺根據輸入參數調用ANSYS進行計算，待ANSYS后臺運行結束后，界面上將直接顯示計算結果及圖片，用戶通過界面完成ANSYS分析計算，不需要直接操作ANSYS。

3分析結果

3.1模態、強度、諧響應分析云圖

通過對平臺靜強度、模態、諧響應分析，分別得到對應的結果圖，并將得到的結果圖顯示在界面上。實例下的平臺靜強度分析如圖4所示，實例下的模態分析如圖5所示，實例下的諧響應分析如圖6所示。由圖4可以看出，在給定參數條件下，最大變形發生在紅色位置，即鉆井平臺頂部;由圖5可以看出，在給定參數條件下，一階模態下如發生共振時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相對初始位置偏移的值，諧響應分析表示在給定參數條件下，隨著時間的增大，平臺位移逐步變小。因此，在當前參數下，平臺可以克服共振和疲勞等問題。

3.2計算數據

通過有限元分析，得到平臺的最大應力、最大應變、最大位移以及模態分析結果。由圖4可見，以鋼材為例，假設海水水面處水流速度2.35 m/s，水深45 m，在10階模態下進行計算的最大位移值為304 mm，該值所在位置的X、Y、Z坐標值分別為12 500，3 000，15 000;當前參數下的最大應力為0.166×10²MPa，該值所在位置的X、Y、Z坐標分別為3 000，3 000，8 000。階模態下的分析結果如表1所示，由表1可以看出，在給定參數條件下，10階模態中各個階次模態發生共振頻率，設計人員可通過最大位移值、最大應力值及表1中數據，判斷平臺是否滿足設計要求。

4結束語

本文基于ANSYS軟件開發了固定式鉆井平臺設計系統。該系統實現了固定式鉆井平臺的參數化設計和自動計算，并以鋼材為例，假設海水水面處水流速度為2.35 m/s，水深為45 m，在10階模態下進行計算，使用固定式鉆井平臺設計系統，設計時間節省約70%，設計人員只需簡單設置參數等待結果即可，而設計人員如需尋找最優設計方法，只需不斷修改參數，分析計算結果，省略了修改模型和網格的過程。與傳統設計方法相比，此系統在保證設計質量的同時，顯著提高了設計效率，降低了對設計人員的依賴。但目前此系統僅僅適用于固定式鉆井平臺，應用場景有限，不具有通用性，實現鉆井平臺的通用化設計是未來需改進的方向。

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作者簡介： 石樂（1996），男，碩士研究生，主要研究方向為機械CAD/CAM。

通信作者： 沈精虎（1963），男，教授，碩士生導師，主要研究方向為機械CAD/CAM和機械結構有限元分析與優化。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