海洋平台結構設計與模型製作
理論方案
浙江大學結構設計競賽組委會
二○一二年
一、 方案設計摘要
1、 設計思路
本次結構大賽結構體系分為樁基式和半潛式兩大方向。考慮到半潛式結構的螺栓在沙土中的錨固能力既無經驗可循又難以計算，而樁基式結構空間布置靈活，水平荷載作用下不易移動穩定性強，我們的設計思路沿著樁基式的方向發展。
1） 大體尺寸確定
豎向高度已有規定，首先大致確定的是考自重抵抗水平荷載產生彎矩所需的底面尺寸。經計算（詳見荷載分析），支承結構底面直徑大約需45cm。考慮上部載入箱大小，支撐結構頂部尺寸定位28cm。
結構下大上小成臺狀。
2） 結構體系選擇
支承的結構體系大致上可分為框架與桁架。在豎直方向上，結構需承受一定豎向荷載。經計算，在3.
3kg豎向荷載作用下，強度條件容易滿足，穩定起控制作用，兩種結構形式無太大差異。在水平方向上，結構承受一定的水平荷載。在框架結構中，結構主要依靠剪力（彎矩）傳遞水平荷載，而在桁架結構中，水平荷載靠軸力進行傳遞。
考慮細桿木材抗彎能力較差，抗拉抗壓（保證穩定）能力較強，為提高材料利用效率，選擇桁架結構體系。
2. 方案演化
二、 結構內力分析與截面複核
主要結構尺寸
整個模型採用兩種單元型別：beam4和shell63，beam4單元引數包括截面的高度、寬度、面積和截面慣性矩，具體再細分為兩種型別，用來模擬所有的桿件shell63單元引數包括節點處的厚度，用來模擬載入箱。
相關引數：彈性模量,泊松比,密度（估計值）。
建立實體模型，劃分為有限元模型，見下表：
有限元模型，如圖1：
圖1有限元模型圖
1、 首先考慮結構在重力荷載和風荷載作用下得結構響應
插入沙子的柱腳按剛接算，186g砝碼所施加的力為。結構有z方向的壓力，即。風荷載：
在壓差的作用下大氣發生流動形成風，風的強度通常用風壓表示，風速和風壓的關係通過流體力學中得伯努利方程表示：
在標準大氣壓下，約為，則風壓為，高度變化係數和體形係數均取1。
施加荷載，如圖2：
圖2施加荷載圖
x方向位移，如圖3：
圖3 x方向位移圖
由此可知最大位移約為0.6mm，變形不大。
模型軸力圖，如圖4：
圖4軸力圖
由此可知，最大拉力5.6513n，最大壓力38.894n。
雙方向彎矩圖，如圖5，圖6：
圖5雙向彎矩圖（1）
圖6雙向彎矩圖（2）
由此可知，最大彎矩。
綜上所述，結構可以較好地承受外荷載。
2、風荷載的波動
考慮到所加的風荷載可能不均勻而使結構產生振動，所以對結構進行模態分析，從而得到結構相應隨頻率的變化曲線得到模型的前三階固有頻率。
模態振型如圖7，8，9：
圖7模態振型圖（1）
圖8模態振型圖（2）
圖9模態振型圖（3）
諧振荷載圖，如圖10：
圖10諧振荷載圖
響應圖，如圖11：
圖11響應圖
由此知，外荷載為6.8hz和9hz時會引起共振，這和固有頻率分析結構較一致
3、整體穩定性屈曲分析
屈曲載入：結構有z方向的壓力，即，底部採用鉸接，如圖12：
圖12鉸接模型
三階屈曲模態如圖13，14，15：
圖13三階屈曲模態（1）
圖14三階屈曲模態（2）
圖15三階屈曲模態（3）
由第一階特徵值屈曲分析知，臨界載荷因子為2.335，故一階屈曲的臨界荷載為勻布荷載
，每個支座反力為，較為安全。
非線性屈曲分析，取屈服強度30mpa，計算彈塑性效應，採用弧長法，如圖16：
圖16弧長法非線性屈曲分析
以控制點頂點不超過1厘公尺為界限，得到最大位移7公釐左右。
由上述理論分析本結構可以承受比賽所需的豎向荷載與水平荷載。
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