考慮自由液面修正對(duì)水壓力分布影響的FPSO總體強(qiáng)度分析

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(中集海洋工程研究院有限公司研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264003)

考慮自由液面修正對(duì)水壓力分布影響的FPSO總體強(qiáng)度分析

郭勤靜，時(shí)磊，傅強(qiáng)，韓榮貴，張國(guó)棟

(中集海洋工程研究院有限公司研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264003)

基于ABS的DLA方法，對(duì)超大型浮式結(jié)構(gòu)物FPSO船體的特征載荷進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，獲得設(shè)計(jì)波參數(shù)，結(jié)合SESAM軟件進(jìn)行總體強(qiáng)度分析及載荷工況分析。對(duì)水動(dòng)力荷載進(jìn)行自由液面修正，采用WSD方法校核修正前后整船屈服屈曲強(qiáng)度。結(jié)果表明對(duì)動(dòng)水壓采用自由液面修正以后的水壓更為貼合實(shí)際情況；總體強(qiáng)度滿足ABS、方法要求；修正前后差別較小，水線面附近結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要采用局部壓載組合校核。通過總體強(qiáng)度分析可以整體觀察船體在波浪載荷作用下的應(yīng)力變形情況，為船體局部特殊結(jié)構(gòu)疲勞子模型計(jì)算提供邊界位移，并根據(jù)利用率優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

FPSO；動(dòng)水壓；自由液面修正；總體強(qiáng)度分析；利用率

FPSO服務(wù)環(huán)境復(fù)雜，不僅經(jīng)常受到常見的風(fēng)浪環(huán)境，還常常會(huì)在暴風(fēng)雨等更惡劣的環(huán)境下工作。各船級(jí)社也相繼制定了關(guān)于FPSO總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和指南，特別是最近幾年，F(xiàn)PSO的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能簡(jiǎn)單地依靠傳統(tǒng)的船規(guī)設(shè)計(jì)思路，也不能只依靠三艙段分析來代替全船分析，offshore相關(guān)規(guī)范被引入到設(shè)計(jì)分析中。如DNV，ABS等船級(jí)社在原來船規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，參考o(jì)ffshore規(guī)范，逐漸加大了對(duì)FPSO總體強(qiáng)度分析的關(guān)注，DNV船級(jí)社2015年底公開的資料《SESAM for FPSO》[1]中介紹了AWSA(advanced whole strength analysis)高級(jí)整船強(qiáng)度分析方法，ABS船級(jí)社推出FPSO系列軟件Seakeeping/ISE/TSA and DLA-SFA FOS等來進(jìn)行FPSO的動(dòng)態(tài)載荷方法求解，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總體強(qiáng)度分析、疲勞譜分析等[2]。因此FPSO全船有限元分析計(jì)算與送審越來越受到各大船級(jí)社的重視，全船結(jié)構(gòu)的總體有限元分析在整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中變得愈發(fā)重要[3-4]。

在FPSO總體強(qiáng)度分析動(dòng)水壓計(jì)算時(shí)，基于線性的勢(shì)流理論計(jì)算結(jié)果僅能夠輸出水線以下的濕表面網(wǎng)格的靜水壓力及動(dòng)水壓力。由于FPSO具有較大的水線面積，需要考慮采用自由液面修正動(dòng)水壓力來考慮波面升高對(duì)船體壓力分布的影響。在這種背景下，對(duì)某一FPSO大型浮式結(jié)構(gòu)物基于三維水動(dòng)力分析，考慮自由液面修正方法對(duì)動(dòng)水壓進(jìn)行修正。通過研究SESAM全船有限元分析計(jì)算流程及后處理方法，觀察船體結(jié)構(gòu)在整體波浪載荷作用下的應(yīng)力水平及變形情況，對(duì)比修正前后相關(guān)數(shù)據(jù)如動(dòng)水壓力、屈服屈曲強(qiáng)度利用率等，可以根據(jù)總體強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行后續(xù)特殊結(jié)構(gòu)的疲勞子模型分析計(jì)算，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度利用率局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)板厚達(dá)到減重目的，通過這樣的分析過程得出更準(zhǔn)確合理的FPSO總體強(qiáng)度分析計(jì)算方法。

1 FPSO水動(dòng)力分析計(jì)算

某FPSO大型浮式結(jié)構(gòu)物主尺度見表1。

表1 FPSO主尺度 m

1.1 裝載工況

裝載工況考慮FPSO滿載工況、60%裝載工況、30%裝載工況，及空載等4種[5]，見表2。

1.2 特征載荷

該FPSO一般長(zhǎng)期固定于工作海域，采用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)進(jìn)行特征載荷的極值預(yù)報(bào)。采用設(shè)計(jì)波法計(jì)算特征載荷，根據(jù)ABS規(guī)范FPSO-DLA Guidance[6]選取12組特征載荷，對(duì)應(yīng)各裝載工況進(jìn)行長(zhǎng)期響應(yīng)的極值預(yù)報(bào)。滿載工況特征載荷見表3。

表2 裝載工況

表3 特征動(dòng)載荷-滿載

1.3 動(dòng)水壓計(jì)算

水動(dòng)力濕表面面元模型用來計(jì)算船體濕表面壓力，沿濕表面積分可以得到各種船體相應(yīng)載荷，包括任意截面的彎矩、剪力等載荷，也可以直接將濕表面的動(dòng)水壓、靜水壓直接傳遞到結(jié)構(gòu)模型上。在HydroD中需要定義波浪壓力的方向，對(duì)于船體外殼，方向由流體指向模型表面。對(duì)于被水面分割的單元，Wadam模塊將自動(dòng)以水線面為界分割成上、下2個(gè)單元。在進(jìn)行波浪載荷傳遞過程中，Wadam模塊會(huì)將每一個(gè)面單元承受的波動(dòng)壓力自動(dòng)影射到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格上，水動(dòng)力模型中的粗網(wǎng)格面單元壓力會(huì)自動(dòng)插值到結(jié)構(gòu)有限元模型的細(xì)網(wǎng)格面單元上。

質(zhì)量模型包括了FPSO船體及上部模塊的質(zhì)量分布信息，和壓載艙模型結(jié)合后能夠反應(yīng)FPSO的整船的質(zhì)量分布特征。結(jié)構(gòu)模型用于傳遞濕表面模型的靜水壓力及動(dòng)水壓力。為考慮FPSO內(nèi)液艙的自由面水動(dòng)力效應(yīng)對(duì)船體波浪載荷及船體的運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等產(chǎn)生的影響，采用compartment方式創(chuàng)建壓載艙模型。水動(dòng)力濕表面模型見圖1，結(jié)構(gòu)質(zhì)量模型及壓載艙模型見圖2。

圖1 水動(dòng)力濕表面模型

圖2 水動(dòng)力結(jié)構(gòu)質(zhì)量模型

1.4 動(dòng)水壓自由液面修正

基于線性的勢(shì)流理論計(jì)算結(jié)果僅能夠輸出水線以下的濕表面網(wǎng)格的靜水壓力及動(dòng)水壓力。由于FPSO具有較大的水線面積，需要修正動(dòng)水壓力來考慮波面升高對(duì)船體壓力分布的影響[7]。特別對(duì)于FPSO各工況下水線附近的網(wǎng)格單元的水動(dòng)壓力進(jìn)行修正。修正方法如下。

(1)

P=ρg(h0-(z-D))

(2)

式中：h0為水線附近網(wǎng)格的靜水壓頭，如圖3所示；p0為水線附近網(wǎng)格的水壓；z為網(wǎng)格單元的形心相對(duì)基線的垂向坐標(biāo)；D為FPSO的吃水。動(dòng)水壓修正示意于圖4。

圖3 靜水壓頭的計(jì)算示意

圖4 動(dòng)水壓修正示意

自由液面修正前后的動(dòng)水壓舉例滿載工況180°相位見圖5。由圖5可見，修正后，靠近水線部分外殼的動(dòng)水壓分布符合整個(gè)波高范圍的波浪運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖5 動(dòng)水壓修正

2 FPSO總體強(qiáng)度分析

2.1 FPSO整體有限元模型及計(jì)算

圖6 總體結(jié)構(gòu)模型

采用有限元分析軟件SESAM完成全船F(xiàn)PSO建模，利用簡(jiǎn)化方法，研究總體模型建模方法，創(chuàng)建的有限元分析模型見圖6。對(duì)總體模型進(jìn)行空船質(zhì)量調(diào)平及壓載工況調(diào)平，特別是對(duì)于船長(zhǎng)方向，重量分布盡可能與實(shí)際保持一致。邊界條件按照CCS規(guī)范規(guī)定處理。在船體相應(yīng)節(jié)點(diǎn)施加6個(gè)線位移約束，船體艉封板距離中縱剖面相等的左右舷2個(gè)節(jié)點(diǎn)(一般選擇對(duì)稱的2個(gè)強(qiáng)結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn))約束沿垂向線位移，即δz=0；船底板與中縱剖面的艏艉2個(gè)交點(diǎn)，船艉交點(diǎn)約束沿橫向的線位移，即δy=0，船艏交點(diǎn)約束沿3個(gè)方向X,Y,Z的線位移，即δx=δy=δz=0。[8-9]針對(duì)不同的工況進(jìn)行加載計(jì)算并完成分析計(jì)算。對(duì)于4種壓載工況，動(dòng)水壓自由液面修正前后的工況，在SESTRA計(jì)算模塊中計(jì)算。最后在XTRACT模塊中對(duì)所有工況進(jìn)行搜索，得到所有工況的最大屈服強(qiáng)度值。動(dòng)水壓180°相位屈服強(qiáng)度情況見圖7。

2.2 屈服屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

根據(jù)ABS規(guī)范規(guī)定，采用WSD(工作應(yīng)力設(shè)計(jì))法進(jìn)行加載計(jì)算，具體校核標(biāo)準(zhǔn)如下[10]。

1)總體屈服強(qiáng)度校核準(zhǔn)則。

(3)

式中：(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t為總體單元應(yīng)力分量；σe為Von-Mises應(yīng)力；σf為材料許用屈服應(yīng)力(355 MPa)。

組合工況下安全系數(shù)取值1.11，許用屈服應(yīng)力校核如下。

σe≤σf/1.11=355/1.11=320 MPa。不同工況的安全系數(shù)與許用應(yīng)力值見表4。

表4 安全系數(shù)與許用應(yīng)力

2)總體屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則。對(duì)于以板格為屈曲校核對(duì)象時(shí)，極限強(qiáng)度狀態(tài)下是必須要校核的，并且在極限強(qiáng)度滿足的情況下，一定的屈曲是允許的。極限強(qiáng)度狀態(tài)如下。

(4)

式中：σUx、σUy、σUxy分別為板格縱向、橫向單軸向力下的極限強(qiáng)度、邊緣剪切下的極限強(qiáng)度；φ為強(qiáng)度作用系數(shù)；η為最大的許用強(qiáng)度利用系數(shù)。本船材料選擇NV-36，具體利用率系數(shù)及峰值標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 常規(guī)利用率及峰值

3 動(dòng)水壓修正前后結(jié)果對(duì)比

以滿載工況為例，動(dòng)水壓自由液面修正后總體屈服強(qiáng)度動(dòng)水壓對(duì)應(yīng)180°相位結(jié)果如圖7所示，選擇右舷濕水面最大吃水線16.5 m處船舯附近自底向上的局部板格為比較對(duì)象，取出板格對(duì)應(yīng)的180°相位的動(dòng)水壓、最大屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度利用率進(jìn)行對(duì)比，具體情況見表6。

由表6可見，船舯船殼位置對(duì)應(yīng)的180°相位動(dòng)水壓自由液面修正以后，由于180°尾浪在船舯位置波峰響應(yīng)，對(duì)于水線以下部分，動(dòng)水壓數(shù)值有略微增大，水線以上部分結(jié)構(gòu)會(huì)受到波浪壓力的沖擊，而且在靠近水線上下的位置，動(dòng)水壓力會(huì)有較大幅度的突然增加；相應(yīng)的，屈服強(qiáng)度屈曲強(qiáng)度值也相應(yīng)增加。

表6 動(dòng)水壓自由液面修正前后對(duì)比

注：UF=utilization factor(利用率)。

考慮動(dòng)水壓自由液面修正前后，有的濕水面的動(dòng)水壓也可能會(huì)減小，而原來處于水線面以上靠近水線部分，不屬于濕水面無加載動(dòng)水壓的結(jié)構(gòu)可能在修正以后會(huì)增加動(dòng)水壓載荷。

因此考慮自由液面修正以后，綜合所有的工況掃描最大的應(yīng)力情況，可以看出，對(duì)于船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度利用率較高的地方，需要重視動(dòng)水壓自由液面修正對(duì)結(jié)構(gòu)帶來的強(qiáng)度損壞的可能。同時(shí)，對(duì)于水線面附近區(qū)域的外板結(jié)構(gòu)、板厚的設(shè)計(jì)需要特別考慮，如內(nèi)部增加肘板以減小動(dòng)水壓突然增大而帶來的影響等。

4 結(jié)論

1)對(duì)動(dòng)水壓采用自由液面修正以后的水壓更為貼合實(shí)際工況，分析結(jié)果證明在實(shí)際工程項(xiàng)目中，有必要進(jìn)行該因素考慮并進(jìn)行總體有限元分析。

2)該FPSO全船有限元分析，總體強(qiáng)度滿足ABS規(guī)范WSD方法要求，符合動(dòng)水壓自由液面修正理論，動(dòng)水壓自由液面修正前后，總體強(qiáng)度結(jié)果雖然差別不大，對(duì)于處于利用率較高時(shí)的設(shè)計(jì)還是有一定參考作用，而水線面附近結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核優(yōu)化主要還是需要考慮舷內(nèi)外局部壓載組合情況，自由液面影響較小。

3)FPSO總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然按照極限強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)，本文總體強(qiáng)度分析可以從直觀的有限元分析中，觀察船體在波浪載荷作用下的應(yīng)力及變形情況，為典型局部結(jié)構(gòu)疲勞子模型分析計(jì)算提供整體邊界位移，根據(jù)強(qiáng)度利用率局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)板厚，達(dá)到船體結(jié)構(gòu)減重的目的。

[1] DNV. SESAM for FPSO[S]. DNV,2015.

[2] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. ABS,2014.

[3] 郭勤靜,李磊,陳書敏.北海惡劣海況下半潛鉆井平臺(tái)總體屈服及屈曲強(qiáng)度分析[J].船海工程,2015,44(3):105-108.

[4] 胡奇,解德.FPSO結(jié)構(gòu)低周疲勞壽命計(jì)算方法研究[J].海洋工程.2014,32(6):24-30.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京：人民交通出版社,2001.

[6] ABS. GUIDE FOR ‘DYNAMIC LOADING APPROACH’ FOR FPSO INSTALLATIONS[S]. ABS,2010.

[7] ABS. Guidance Notes on SFA for FPSO systems,2002.

[8] 秦鍵宇.FPSO船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[9] 郭興乾.3000米水深鉆井船總強(qiáng)度預(yù)報(bào)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[10] ABS. Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore Structure[S]. ABS,2014.

On FPSO Global Strength Analysis with and without Free Surface Correction of Hydrodynamic Pressure

GUOQin-jing,SHILei,FUQiang,HANRong-gui,ZHANGGuo-dong

(Research & Development Dept., CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264003, China)

Based on the ABS DLA method, the long term loading prediction for an ultra-large FPSO was carried out to get the design wave parameters and characteristic loads, and global strength analysis and load conditions were also researched. According to Free surface correction and WSD method, the hydrodynamic pressure was corrected and global yielding and buckling strength were assessed and compared. The results proved that the hydrodynamic pressure is more realistic after correction. The global strength fulfills the requirement of ABS WSD method. The structure design near the draft water line should be focused on more attention with local analysis method considering the combination of local tank pressure and sea pressure, especially the structure with higher strength utilization ratio, although the difference is slight before and after correction. The simulation results can be used in the fatigue analysis and local hull structure optimization.

FPSO; Hydrodynamic Pressure; Free surface correction; Global Strength Analysis; Utilization Factor

U674.38;U661.43

A

1671-7953(2017)05-0030-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.010

2016-11-01

修回日期：2016-11-22

郭勤靜(1982—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總體強(qiáng)度分析