FPSO上層居住模塊整體吊裝強度計算研究

周　慶, 龔偉兵, 向小斌，徐　輝

(1.中遠船務工程集團有限公司，遼寧 大連 116600； 2.上海中遠船務工程有限公司，上海 200231)

FPSO上層居住模塊整體吊裝強度計算研究

周慶1, 龔偉兵2, 向小斌2，徐輝2

(1.中遠船務工程集團有限公司，遼寧 大連 116600； 2.上海中遠船務工程有限公司，上海 200231)

摘要：大型船舶上層建筑整體吊裝是船舶建造中的一項先進工藝，但如何保證吊裝工藝的安全性仍是一項技術難題。以某FPSO(浮式生產儲油卸油裝置)上層居住模塊為例進行研究，采用有限元方法和結構強度相關理論，結合DNV規(guī)范對FPSO上層居住模塊整體吊裝強度進行分析。計算結果顯示，吊裝時高應力一般發(fā)生在吊點附近區(qū)域的強支撐構件上。該方法為吊裝方案的可行性提供了依據，實際吊裝過程驗證了計算的準確性。

關鍵詞：油船；上層建筑；整體吊裝；強度計算；有限元法

0引言

船舶與海洋工程上層居住模塊整體吊裝是船舶建造中的一項先進技術，可有效縮短船臺建造周期，降低造船成本，提高勞動生產效率。隨著預舾裝程度的提高，上層居住模塊甚至變成獨立的海工產品，異地制造再運輸組裝。但船舶大型化以及預舾裝水平的提高使上層建筑整體分段的尺寸、重量越來越大，有時接近甚至超過千噸，而結構剛性則相對減小，這使得上層居住模塊的整體吊裝變得更加困難。另外，即使結構強度滿足吊裝要求，吊裝過程的局部變形也可能導致內舾裝、管裝、電裝和重要設備的破壞，拖延交貨時間，造成船廠重大經濟和信譽損失。為保證模塊整體吊裝作業(yè)安全，吊裝方案的設計尤為重要，而設計合理的吊裝方案關鍵在于上層建筑整體吊裝強度分析的可靠性。

對于復雜的工程結構，包括船舶結構在內，使用經典的結構力學方法、彈性力學方法、板殼理論等只能進行一定的簡化計算，更加精確的計算一般都是采用通用的、行之有效的有限單元法。目前，上層建筑整體吊裝強度數值計算已經開始研究。

楊永謙等[1]對上層建筑的強度采用二維有限元分析，將結構離散成梁單元進行計算，并采用經典力學方法，利用三彎矩原理，校核結構強度。無論應用經典力學計算還是將結構處理成梁單元，都可以降低計算強度，縮短計算時間，但同時卻降低了計算精度，無法更好地體現(xiàn)結構在三維上應力和變形的分布形式。

張延昌等[2]通過建立105 000 DWT油船上層建筑整段有限元模型，進行上層建筑吊裝前以及整體吊裝2種工況下的整體結構強度分析，計算得到上層建筑構件的應力與變形水平。上層建筑整體建?？梢缘玫浇Y構的三維有限元模型，是一種更加準確有效的方法。

葉家瑋等[3]考慮上層建筑外形尺寸、重量重心位置、結構強度和工廠設備的吊運能力等因素確定吊裝方案，并討論了受力不均勻引起的變形。

李永正等[4]利用有限元法計算了大型油船上層建筑吊裝前和吊裝時的結構響應，王峰等[5]對大型船舶上層建筑整體吊裝的工藝技術進行了研究，并應用有限元計算進行驗證。

從以上分析可見上層居住模塊整體吊裝工藝的先進性和復雜性，本文在前面研究的基礎上，采用有限元方法，對FPSO的上層居住模塊吊裝工藝進行分析和研究。

1上層居住模塊基本情況與建模

1.1坐標系統(tǒng)和計算單位

坐標原點，中心線Fr0肋位；X軸，縱向，指向船艏為正；Y軸，橫向，指向左舷為正；Z軸，垂向，向上為正。單位：長度為m，力為N，應力為Pa。

1.2材料參數

結構材料為AH36船用高強鋼，屈服應力為355 MPa，楊氏模量為2.05×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

1.3重量重心

本船上層居住模塊長41.4 m，寬13.5 m，高23.5 m，結構全部采用普通碳素鋼，鋼結構重量為928.934 t，總重量為1 696.93 t。重量、重心數據見表1。

表1　上層居住模塊結構重量中心

1.4數值模型

結合FPSO上層建筑圖紙，采用大型有限元軟件SESAM/GeniE程序，用板單元模擬甲板、艙壁和強橫梁等結構，梁單元來模擬骨材和加強筋等結構，完成有限元建模，并針對模型進行整體和局部強度計算分析?？紤]到主要分析的內容是上層建筑結構整體強度，因此忽略了部分小結構件(如肘板、小開口及開口加強筋等)。上層居住模塊的縱骨間距和肋距都是0.9 m，普通區(qū)域單元尺寸為0.45 m×0.45 m，特殊區(qū)域單元尺寸為0.05 m×0.05 m。

1.5邊界條件和載荷

本船上層居住模塊吊裝方案中，鋼絲繩索具末端約束X、Y、Z三個方向的平動位移。整個結構所受外載荷為重力，對結構垂向施加慣性載荷。

2吊裝方案設計

該上層居住模塊將在中國建造完成，再運輸到巴西與FPSO主船體進行合攏。考慮兩地起重設備的要求，為模塊的運輸和安裝分別設計了2種吊裝方案。方案1為上層居住模塊在中國船廠建造完成后，采用2 000 t 4鉤頭起重船將模塊吊到運輸船上；方案2為上層居住模塊在巴西使用2 000 t門式起重機將模塊吊到FPSO主船體上進行安裝。

方案1(LC1)：

上層居住模塊由2 000 t浮吊的4個主鉤起吊，每個主鉤的承載能力為500 t。 32個吊板均勻布置在上層建筑頂部，這些吊板平均分成4組，2組位于艉側Fr10艙壁上面，2組位于艏側Fr25艙壁上面。吊裝方案1具體布置如圖1所示。

圖1　吊裝方案1(中國)

方案2(LC2)：

上層居住模塊在巴西將通過2 000 t門式起重機吊裝到FPSO主船體上，該門式起重機配有2個1 500 t吊梁。對應設計了19個吊板用于此吊裝作業(yè)，這些吊板都布置在模塊頂部左右兩側。10個吊板位于右舷艙壁，其他9個吊板位于左舷艙壁。吊裝方案2具體布置如圖2所示。

圖2　吊裝方案2(巴西)

3上層建筑吊裝整體強度數值分析

3.1結構許用應力

吊裝過程中，相當應力(Von Mises stress)計算公式如下所示。

式中：σ1、σ2、σ2為主應力。

整體吊裝分析采用DNV規(guī)范進行計算?？紤]吊裝過程的不確定性，吊裝有限元分析需要考慮動態(tài)放大、重心偏差、索具偏差等各種載荷修正系數。具體載荷系數見表2。

整體吊裝分析安全系數取為1.3，結合表2中規(guī)定的載荷系數，可得FPSO的上層居住模塊各結構位置的許用應力，其中吊點結構許用應力[σ]=143.7 MPa，支撐構件及其他結構的許用應力[σ]=162.5 MPa。

表2　吊裝載荷系數

3.2吊裝強度校核

利用SESAM/GeniE軟件對所建立的有限元模型進行分析, 圖3至圖7分別顯示了方案1和方案2兩種工況的整體應力分布、最大應力位置、吊點應力分布及整體垂向位移分布。

圖3　LC1整體應力分布 (單位:Pa)

圖4　LC2整體應力分布 (單位:Pa)

圖5　結構最大應力分布位置 (單位:Pa)

圖6　吊點最大應力分布位置 (單位:Pa)

圖7　LC2垂向位移分布 (單位:m)

整理方案1和方案2兩種工況的應力和位移結果見表3，最大應力155.4 MPa發(fā)生在吊點下方的強構件交叉處。從表3結果可以看出，各工況下的結構應力都小于許用應力，結構強度滿足要求。上層居住模塊高23.5 m，加上吊索高度，整體計算模型高約33 m，最大垂向位移為0.041 m，變形比例約為1/1 000，且整體變形位移沿著模型均勻分布。實際吊裝過程也證明了吊裝工藝的安全性。

表3　最大應力與位移

3.3結構屈曲強度校核

上層居住模塊屬于典型薄壁結構，吊裝過程中結構受壓，容易出現(xiàn)結構失穩(wěn)及屈曲破壞等危險狀況，需要進行結構屈曲校核。板梁結構屈曲計算的典型受力模型如圖8所示。

對經受平面內和側壓載荷的板屈曲狀態(tài)需要滿足下面的強度準則：

式中：σxmax為縱向最大壓應力；σymax為橫向最大壓應力；τ為邊剪應力；σCx為在縱向方向單軸壓縮的臨界屈曲應力；σCy為在橫向方向單軸壓縮的臨界屈曲應力；τC為邊緣剪切的臨界屈曲應力；η為屈曲利用因子。

圖8　板梁結構屈曲計算受力模型

本文屈曲校核依據DNV規(guī)范，計算方法是提取各工況下有限元計算結果中各層甲板單元的X,Y方向正應力σx和σy以及剪應力τxy的數值，選擇應力大的甲板區(qū)域為校核對象，以甲板板格為單位，將正應力數值填入根據規(guī)范公式編寫的計算表格中可求得該板格的屈曲利用因子η。計算結果顯示選定區(qū)域的板格的屈曲利用因子η均小于規(guī)范規(guī)定的0.8，屈曲強度滿足規(guī)范要求。圖9、圖10和圖11分別顯示了屈曲校核區(qū)域選擇、板單元應力提取、規(guī)范公式表格計算等屈曲校核過程。

圖9　正應力σx分布云圖及屈曲校核區(qū)域選擇 (單位：Pa)

圖10　板單元σy應力提取 (單位：Pa)

4結論

海洋工程上層居住模塊整體吊裝是一項復雜的

工藝過程，需要綜合考慮各個方面的因素。文中采用有限元法對總重1 700 t的上層居住模塊吊裝進行了數值模擬計算，并依據DNV規(guī)范，分析和校核了2種吊裝工況下的上層居住模塊的屈服強度和屈曲強度。該方法能有效地評估吊裝方案的合理性，提高吊裝工藝設計的安全性，對生產建造具有指導和借鑒意義。

圖11　板屈曲規(guī)范公式表格計算

通過對計算結果的分析可知，吊裝時高應力一般發(fā)生在吊點附近區(qū)域的強支撐構件上。通過有限元計算可以提前發(fā)現(xiàn)問題，并采取相應的加強措施以保證整體吊裝作業(yè)的順利安全進行，實際作業(yè)過程也證明了本吊裝方案的安全性。

參考文獻：

[1]楊永謙,黃貽平,陳超核.29 000 t貨船上層建筑整體吊裝變形及應力計算[J].武漢交通科技大學學報,1994,3(9): 301-306.

[2]張延昌,王自力,羅廣恩.船舶上層建筑整體吊裝強度有限元分析[J].船舶工程, 2006, 28(3): 62-65.

[3]葉家瑋,吳學仁,王勇毅,高萬盈.2.9萬t貨船上層建筑整體吊裝內舾裝的安全性分析[J].華南理工大學學報,1997(7):139-143.

[4]李永正，王珂，郭瑋. 大型油船上層建筑整體吊裝強度有限元分析[J]. 科學技術與工程，2012,12(36)：10011-10016.

[5]王鋒，汪家政. 大型船舶上層建筑整體吊裝技術研究及應用[J]. 造船技術，2011(1)：20-22.

[6]周波. 船舶制造相關工藝的應力與變形問題研究[D]．大連：大連理工大學，2008．

收稿日期：2016-01-07

作者簡介：周慶(1974—)，男,碩士，工程師，研究方向為船舶與海洋工程結構設計與計算。

中圖分類號：U661.43

文獻標志碼：A