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第1篇 基础篇1

第1章 绪论1

本章导读与知识要点1

1.1 有限元的基本思想与发展1

1.1.1 有限元法的基本思想1

1.1.2 有限元法的发展6

1.2 ABAQUS软件7

1.3 海洋石油工程的发展8

1.4 海洋石油工程中的典型有限元问题9

1.4.1 结构静力分析9

1.4.2 结构模态分析10

1.4.3 瞬态动力学分析10

1.4.4 热力学分析10

1.4.5 结构优化分析10

1.4.6 流体分析11

1.5 本章小结11

第2章 有限元法的理论基础12

本章导读与知识要点12

2.1 弹性力学基础12

2.1.1 弹性力学的物理量12

2.1.2 弹性力学基本方程15

2.1.3 平面问题定义18

2.2 平面问题有限元法20

2.2.1 结构离散21

2.2.2 单元位移函数21

2.2.3 单元应变和应力25

2.2.4 单元刚度矩阵26

2.2.5 载荷等效移置28

2.2.6 整体刚度矩阵30

2.2.7 位移约束32

2.2.8 有限元的解34

2.2.9 结果显示和分析34

2.3 平面应力有限元法算例34

2.3.1 基于3节 点三角形单元的矩形薄板分析35

2.3.2 矩形薄板MATLAB算例分析38

2.4 本章小结43

第3章 ABAQUS有限元分析基础45

本章导读与知识要点45

3.1 ABAQUS的分析模块45

3.2 ABAQUS/CAE简介48

3.2.1 ABAQUS/CAE的启动48

3.2.2 ABAQUS/CAE主窗口的组成49

3.2.3 有限元分析步骤51

3.2.4 ABAQUS主要功能模块52

3.2.5 帮助指南54

3.3 快速入门——矩形薄板的ABAQUS分析实例55

3.3.1 问题描述55

3.3.2 启动ABAQUS/CAE56

3.3.3 创建平面矩形薄板几何模型57

3.3.4 创建材料和截面属性59

3.3.5 定义装配件61

3.3.6 设置分析步61

3.3.7 定义耦合关系61

3.3.8 定义载荷和边界条件62

3.3.9 划分网格63

3.3.10 提交分析作业65

3.3.11 后处理66

3.3.12 退出ABAQUS/CAE70

3.4 矩形薄板的2单元分析实例70

3.4.1 创建平面矩形薄板几何模型70

3.4.2 创建材料和截面属性71

3.4.3 定义装配件71

3.4.4 设置分析步71

3.4.5 定义载荷和边界条件71

3.4.6 划分网格72

3.4.7 提交作业及后处理72

3.4.8 结果对比75

3.5 本章小结75

第4章 ABAQUS的INP文件用法与实例76

本章导读与知识要点76

4.1 ABAQUS常用文件76

4.2 INP文件用法78

4.2.1 INP文件组成78

4.2.2 生成INP文件81

4.2.3 修改INP文件81

4.2.4 导入INP文件81

4.3 INP文件常用关键字83

4.4 悬臂梁INP应用实例86

4.4.1 问题描述86

4.4.2 撰写INP文件87

4.4.3 导入INP文件89

4.4.4 提交作业90

4.4.5 查看结果91

4.5 本章小结93

第5章 海洋环境载荷理论基础94

本章导读与知识要点94

5.1 风载95

5.1.1 设计风速95

5.1.2 风力表达式96

5.2 波浪载荷97

5.2.1 波浪力分类97

5.2.2 波浪力计算方法98

5.2.3 不同尺度结构物的波浪力计算98

5.3 海流载荷100

5.3.1 海流分类100

5.3.2 海流力计算101

5.4 海冰载荷102

5.4.1 海冰与海上结构物的相互作用102

5.4.2 海冰静冰力计算103

5.4.3 海冰动冰力计算105

5.5 地震载荷106

5.5.1 地震力的计算106

5.5.2 地震的动力响应分析107

5.6 载荷的组合108

5.7 本章小结108

第2篇 工程案例篇109

第6章 有限元法在海上平台压力容器中的应用109

本章导读与知识要点109

6.1 技术背景109

6.1.1 海洋平台109

6.1.2 压力容器112

6.2 压力容器静力学分析113

6.2.1 问题分析115

6.2.2 创建部件116

6.2.3 定义材料和截面属性117

6.2.4 定义装配件118

6.2.5 设置分析步119

6.2.6 定义接触119

6.2.7 定义载荷和边界条件119

6.2.8 划分网格122

6.2.9 提交分析作业123

6.2.10 后处理123

6.3 基于振动理论的压力容器模态分析125

6.3.1 线性动力学分析简介125

6.3.2 模态分析125

6.3.3 瞬态动力学分析126

6.3.4 问题描述127

6.3.5 设置分析步128

6.3.6 定义载荷和边界条件131

6.3.7 划分网格132

6.3.8 提交分析作业及后处理133

6.4 压力容器热力学分析136

6.4.1 热力学分析概述136

6.4.2 问题描述137

6.4.3 创建部件139

6.4.4 定义材料和截面属性140

6.4.5 定义装配件140

6.4.6 设置分析步140

6.4.7 定义接触141

6.4.8 定义载荷和边界条件142

6.4.9 划分网格143

6.4.10 提交分析作业143

6.4.11 后处理144

6.5 本章小结145

附：本章实例INP文件及注释145

第7章 海洋导管架平台整体结构分析151

本章导读与知识要点151

7.1 导管架平台概述151

7.2 导管架平台整体结构的静力分析153

7.2.1 问题分析154

7.2.2 创建部件157

7.2.3 创建材料和截面属性158

7.2.4 定义装配件163

7.2.5 设置静态分析步165

7.2.6 定义接触166

7.2.7 定义载荷和边界条件167

7.2.8 划分网格170

7.2.9 提交作业及查看结果171

7.3 导管架平台的模态分析172

7.3.1 设置分析步174

7.3.2 提交作业及查看结果174

7.4 本章小结178

附：本章实例INP文件及注释178

第8章 海洋钻井隔水导管的响应分析181

本章导读与知识要点181

8.1 海洋立管概述181

8.1.1 钻井隔水管182

8.1.2 顶张力立管182

8.1.3 钢悬链线立管183

8.1.4 柔性立管183

8.1.5 塔式立管183

8.2 海洋钻井隔水导管响应分析183

8.2.1 问题描述183

8.2.2 创建模型186

8.2.3 设置材料属性186

8.2.4 定义装配件187

8.2.5 设置分析步187

8.2.6 定义载荷和边界条件189

8.2.7 划分网格193

8.2.8 INP关键字编辑193

8.2.9 后处理与查看结果195

8.3 本章小结199

附：本章实例部分INP文件及注释199

第9章 海洋平台桩腿与海底土相互作用模拟203

本章导读与知识要点203

9.1 桩土相互作用概述203

9.2 P-y曲线理论204

9.2.1 软黏土中的P-y曲线204

9.2.2 硬黏土中的P-y曲线205

9.2.3 砂土中的P-y曲线205

9.3 平台桩土相互作用分析206

9.3.1 创建模型208

9.3.2 设置材料属性208

9.3.3 定义装配件210

9.3.4 设置分析步210

9.3.5 相互作用210

9.3.6 定义载荷和边界条件211

9.3.7 划分网格213

9.3.8 INP关键字编辑213

9.3.9 后处理与查看结果213

9.4 本章小结215

附A：本章实例INP文件及注释216

附B：P-y曲线数据表218

第10章 海底管道的落物碰撞分析220

本章导读与知识要点220

10.1 海洋落物理论及计算方法220

10.2 非线性动力学分析概述222

10.3 管道落物碰撞分析实例223

10.3.1 问题描述223

10.3.2 创建部件224

10.3.3 定义材料和截面属性226

10.3.4 定义装配件227

10.3.5 设置分析步228

10.3.6 定义接触229

10.3.7 定义边界条件和载荷231

10.3.8 划分网格232

10.3.9 提交分析作业233

10.3.10 后处理234

10.4 本章小结236

附：本章实例INP文件及注释237

第11章 海洋智能球形双封封堵器橡胶密封圈的非线性分析239

本章导读与知识要点239

11.1 非线性理论239

11.1.1 边界非线性240

11.1.2 几何非线性240

11.1.3 材料非线性241

11.2 材料非线性理论及计算方法242

11.2.1 实验数据定义橡胶材料242

11.2.2 Mooney-Rivlin模型定义橡胶材料242

11.3 海洋智能球形双封封堵器橡胶密封圈的分析（试验数据）244

11.3.1 海洋智能封堵技术概述244

11.3.2 案例及问题分析245

11.3.3 创建部件247

11.3.4 创建材料和截面属性248

11.3.5 定义装配件251

11.3.6 设置分析步251

11.3.7 定义接触252

11.3.8 定义载荷和边界条件252

11.3.9 划分网格253

11.3.10 提交分析作业255

11.3.11 后处理255

11.4 海洋智能球形双封封堵器橡胶密封圈的分析（Mooney-Rivlin模型）259

11.4.1 问题描述259

11.4.2 创建材料和截面属性260

11.4.3 结果分析260

11.5 本章小结262

附：本章实例INP文件262

第12章 海洋石油装备的结构优化设计268

本章导读与知识要点268

12.1 优化设计基础268

12.1.1 拓扑优化269

12.1.2 形状优化270

12.1.3 尺寸优化271

12.1.4 优化术语271

12.1.5 求解优化问题的步骤272

12.2 L形连接件的拓扑优化设计实例273

12.2.1 问题描述273

12.2.2 创建部件274

12.2.3 定义材料和截面属性275

12.2.4 定义装配件275

12.2.5 设置分析步275

12.2.6 定义载荷及边界条件275

12.2.7 划分网格276

12.2.8 拓扑优化分析276

12.2.9 提交分析作业280

12.2.10 后处理281

12.2.11 结果对比分析283

12.3 L形连接件的形状优化设计实例286

12.3.1 问题描述286

12.3.2 形状优化分析286

12.3.3 结果分析288

12.4 换档控制臂的尺寸优化设计实例289

12.4.1 问题描述289

12.4.2 尺寸优化分析290

12.4.3 创建优化任务293

12.4.4 优化结果293

12.4.5 聚类优化结果294

12.5 本章小结295

附：本章实例INP文件及注释296

第13章 海底悬空管道的流体卡门涡街分析301

本章导读与知识要点301

13.1 流体理论概述301

13.2 海底单管悬空管道的流体卡门涡街分析302

13.2.1 卡门涡街概述302

13.2.2 问题描述304

13.2.3 创建海底管跨模型305

13.2.4 定义材料属性和创建截面305

13.2.5 定义装配件及分析步307

13.2.6 定义载荷和边界条件307

13.2.7 划分网格309

13.2.8 提交作业与后处理309

13.3 海洋管束的流体分析311

13.3.1 海洋管束技术背景311

13.3.2 问题描述311

13.3.3 创建串列双管束模型312

13.3.4 定义载荷和边界条件312

13.3.5 结果与后处理312

13.4 本章小结315

附：本章实例INP文件及注释315

附录319

附录A 中文索引319

附录B 英文索引325

附录C 主要符号表331

附录D ABAQUS单元的命名335

附录E 常用物理量336

参考文献340

致谢341