3 000 m深水鉆井船全船有限元分析

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(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116005)

3 000 m深水鉆井船全船有限元分析

石強(qiáng)，劉小杰，王飛，趙杰，劉文民

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116005)

以某3 000 m深水鉆井船為研究對(duì)象，采用等效設(shè)計(jì)波方法,以三維勢(shì)流理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行水動(dòng)力分析，計(jì)算不同主控載荷的傳遞函數(shù)，結(jié)合海浪譜得出響應(yīng)譜，進(jìn)行DLP極值的短期預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，從而挑選出等效設(shè)計(jì)波，開(kāi)展全船有限元分析，依據(jù)規(guī)范衡準(zhǔn)校核了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，給出船體梁變形。結(jié)果表明，目標(biāo)鉆井船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范要求。計(jì)算方法和結(jié)果通過(guò)了船級(jí)社的審核認(rèn)可。

鉆井船；全船有限元分析；水動(dòng)力分析；等效設(shè)計(jì)波；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

按ABS規(guī)范要求，作為船型海工產(chǎn)品，鉆井船的基本設(shè)計(jì)完成總縱強(qiáng)度計(jì)算、典型橫剖面校核，以及三艙段有限元分析即可[1]。但隨著海工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的日益發(fā)展，越來(lái)越多的船東和船級(jí)社提出在鉆井船的基本設(shè)計(jì)階段開(kāi)展全船有限元分析的要求，以確保船體的整體結(jié)構(gòu)安全。以某深水鉆井船為研究對(duì)象，該船的垂線(xiàn)間長(zhǎng)231.0 m，型寬42.0 m，型深19.0 m，最大作業(yè)水深3 000 m，作業(yè)工況和自存工況吃水均為12.0 m，自航工況吃水8.5 m。

ABS船級(jí)社規(guī)范要求鉆井船全船有限元分析主要考察自航工況、作業(yè)工況和風(fēng)暴自存工況[2]，本文以鉆井船的自存工況為例。

1 概述

鉆井船全船有限元分析已成為現(xiàn)代船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)有力的技術(shù)手段[3]。船體中部有較大的月池開(kāi)口，對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極為不利[4]。目前精度較高的算法是采用全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析，建立全船主要結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，盡可能詳細(xì)地描述船體結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件之間的相互關(guān)系，合理的定義和描述鉆井船在不同工況下所受到的各種載荷，從而對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為合理的評(píng)估。

目前鉆井船設(shè)計(jì)領(lǐng)域普遍采用等效設(shè)計(jì)波的方法進(jìn)行全船有限元分析，基本流程見(jiàn)圖1。

圖1 鉆井船全船有限元分析基本流程

計(jì)算采用DLA/SFA FOS，該軟件由ABS船級(jí)社開(kāi)發(fā)，包含水動(dòng)力分析和結(jié)構(gòu)分析模塊。

2 水動(dòng)力分析

2.1 水動(dòng)力分析模型及靜水平衡

由于單元數(shù)量的限制，水動(dòng)力分析采用濕表面模型，即模型只包括12.0 m吃水線(xiàn)以下的舷側(cè)外板和底板部分。與其他船型不同的是，鉆井船的水動(dòng)力模型還必須包括月池區(qū)域的圍壁,模型見(jiàn)圖2，共包括2 114個(gè)單元。

圖2 水動(dòng)力分析濕表面模型

采用DLA/SFA FOS軟件通過(guò)微調(diào)吃水和縱傾，使水動(dòng)力模型的排水量和重心縱向位置與實(shí)際值之間的差異在許可范圍內(nèi)。調(diào)平后的靜水彎矩和剪力應(yīng)在鉆井船船體艏艉2端收斂歸零，見(jiàn)圖3。

圖3 靜水平衡驗(yàn)證

2.2 主控載荷的傳遞函數(shù)

按照ABS船級(jí)社規(guī)范要求，鉆井船全船有限元分析的主控載荷DLP參數(shù)包括：垂向彎矩(VBMT)，垂向剪力(VSHF)，水平彎矩(HBMT)，水平剪力(HSHF)，垂向加速度(AACC)，水平加速度(LACC)，橫搖角度(ROLL)。考慮到最大正負(fù)靜水垂向剪力并不出現(xiàn)在船體梁同一縱向位置，而水平剪力又需要分別考察距船艏和船艉1/4垂線(xiàn)間長(zhǎng)的位置，因此在船體的不同考察位置共選取9項(xiàng)DLP，見(jiàn)表1。

表1 本鉆井船的主控載荷參數(shù) m

因?yàn)殂@井船月池區(qū)域大開(kāi)口的特點(diǎn)，導(dǎo)致該區(qū)域總縱強(qiáng)度相對(duì)較弱，因此垂向彎矩VBMT是考察鉆井船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最重要的主控載荷。

依據(jù)三維勢(shì)流理論計(jì)算DLP的傳遞函數(shù)RAO?？紤]船體的對(duì)稱(chēng)性，選取浪向0°～180°，步長(zhǎng)為15°；角頻率范圍0.20～1.85 rad/s，步長(zhǎng)為0.05 rad/s。以VBMT、VSHF、AACC及ROLL為例，本鉆井船DLP參數(shù)的傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～7，圖中浪向步長(zhǎng)為30°。

圖4 垂向彎矩傳遞函數(shù)

圖5 垂向剪力傳遞函數(shù)(X=118.794 m)

圖6 垂向加速度傳遞函數(shù)

圖7 橫搖角度傳遞函數(shù)

2.3 極值預(yù)報(bào)

與其他海工產(chǎn)品極值預(yù)報(bào)不同，ABS規(guī)范要求鉆井船全船有限元分析既要進(jìn)行短期極值預(yù)報(bào)也要進(jìn)行長(zhǎng)期極值預(yù)報(bào)[5-7]。

短期海況可視為均值為零的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過(guò)程。在使用上述頻域理論計(jì)算得到鉆井船的響應(yīng)RAO后，基于隨機(jī)過(guò)程譜分析理論，預(yù)報(bào)3 h短期海況下響應(yīng)最可能出現(xiàn)的最大值。

鉆井船響應(yīng)譜表達(dá)式為

(1)

式中：H(ω,θ)為傳遞函數(shù)；Sη(ω,θ)為海浪譜密度。

其中：ω為角頻率；θ為浪向。

響應(yīng)譜的n階矩表達(dá)式為

(2)

對(duì)于正態(tài)隨機(jī)過(guò)程，鉆井船最大響應(yīng)的跨零頻率為

(3)

響應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為

(4)

式中：D為海況時(shí)長(zhǎng)，短期預(yù)報(bào)一般取3 h海況，則D=10 800 s。

在短期海況內(nèi)，鉆井船響應(yīng)的最大可能出現(xiàn)的最大值為

(5)

(6)

式中：pm為波浪散布圖中每個(gè)海況的出現(xiàn)概率；pk為浪向概率。

(7)

對(duì)于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)所選用的設(shè)計(jì)回歸周期T(年)，響應(yīng)幅值出現(xiàn)的總次數(shù)為

2.4 等效設(shè)計(jì)波及工況

本船3 h短期預(yù)報(bào)有義波高為13.7 m，譜峰周期范圍為13.35～28.00 s，選用Jonswap波浪譜，譜峰形狀參數(shù)γ=3.3，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)選用北大西洋波浪散布圖[8]，設(shè)計(jì)回歸周期為100年，各浪向概率相等均為0.083 3。經(jīng)計(jì)算，各項(xiàng)DLP參數(shù)的極值預(yù)報(bào)結(jié)果及相應(yīng)的等效設(shè)計(jì)波參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 極值預(yù)報(bào)結(jié)果及相應(yīng)設(shè)計(jì)波

根據(jù)表2中9項(xiàng)DLP參數(shù)，考慮到正負(fù)向最大值相位的不同，共確定16個(gè)工況，見(jiàn)表3。

3 全船有限元分析

3.1 全船有限元模型

采用殼單元和梁?jiǎn)卧⒅鞔w有限元模型，網(wǎng)格尺寸為縱骨間距。對(duì)于不屬于全船有限元分析對(duì)象的大型設(shè)備和上部模塊等，采用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬，并通過(guò)大剛度的梁?jiǎn)卧B接到主船體結(jié)構(gòu)模型的適當(dāng)位置。全船有限元模型見(jiàn)圖8。

圖8 全船結(jié)構(gòu)有限元模型

工況編號(hào)DLP相位工況說(shuō)明1VBMTDLPMAX最大中垂工況,船中2VBMTDLPMIN最大中拱工況,船中3VSHFDLPMAX最大正垂向剪力,118.79m處4VSHFDLPMIN最大負(fù)垂向剪力,194.50m處5HBMTDLPMAX最大正水平彎矩,船中6HBMTDLPMIN最大負(fù)水平彎矩,船中7HSHFDLPMAX最大正水平剪力,3/4垂線(xiàn)間長(zhǎng)處8HSHFDLPMIN最大負(fù)水平剪力,3/4垂線(xiàn)間長(zhǎng)處9AACCDLPMAX最大正垂向加速度,艏垂線(xiàn)處10AACCDLPMIN最大負(fù)垂向加速度,艏垂線(xiàn)處11LACCDLPMAX最大正水平加速度,艏垂線(xiàn)處12LACCDLPMIN最大負(fù)水平加速度,艏垂線(xiàn)處13ROLLDLPMAX最大正橫搖角14ROLLDLPMIN最大負(fù)橫搖角15HSHFDLPMAX最大正水平剪力,1/4垂線(xiàn)間長(zhǎng)處16HSHFDLPMIN最大負(fù)水平剪力,1/4垂線(xiàn)間長(zhǎng)處

全船有限元模型的單元信息匯總見(jiàn)表4。

表4 全船有限元模型單元數(shù)

對(duì)于邊界條件，根據(jù)ABS規(guī)范，選取底板上的3個(gè)節(jié)點(diǎn)加載邊界條件，以限制船體的剛體位移。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)分析而言，波浪力與船體慣性力相平衡，因此,3個(gè)約束點(diǎn)上的反力基本為零。

表5 模型的邊界條件

注：邊界狀態(tài)1：約束；邊界狀態(tài)0：無(wú)約束。邊界狀態(tài)次序?yàn)棣膞，δy，δz，θx，θy，θz，即x,y,z方向的位移和轉(zhuǎn)角。

3.2 結(jié)構(gòu)校核衡準(zhǔn)

對(duì)于有限元分析的結(jié)果，需要校核結(jié)構(gòu)失效模式：屈服、屈曲和極限強(qiáng)度[2]。以水密結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)為例。

水密結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，需分別校核板材和骨材的屈服強(qiáng)度。對(duì)于四邊形板單元應(yīng)校核von-Mises膜應(yīng)力，對(duì)于梁?jiǎn)卧獞?yīng)校核軸向應(yīng)力。

基于船級(jí)社推薦的縱骨間距網(wǎng)格尺寸，不同等級(jí)鋼材的屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力衡準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 水密結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

注：Sm-強(qiáng)度折減系數(shù)，根據(jù)表中不同鋼材材質(zhì)等級(jí)確定；cf-對(duì)于未扣除腐蝕余量模型，cf=0.95；對(duì)于已扣除腐蝕余量的模型，cf=1.0；cl-對(duì)于上層甲板、舷側(cè)外板和縱向艙壁等結(jié)構(gòu)cl=0.9；對(duì)于外底、內(nèi)底和橫艙壁等結(jié)構(gòu)cl=0.8。

3.3 全船有限元分析結(jié)果

考慮表3 16種工況的等效設(shè)計(jì)波作用，結(jié)合規(guī)范校核衡準(zhǔn)，得到本鉆井船全船有限元分析主要結(jié)構(gòu)校核結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 主要結(jié)構(gòu)校核結(jié)果

以船體主要結(jié)構(gòu)主甲板和舷側(cè)外板為例，本船分析校核結(jié)果云圖見(jiàn)圖9～14。

圖9 主甲板屈服強(qiáng)度利用系數(shù)云圖

圖10 主甲板屈曲利用系數(shù)云圖

圖11 主甲板極限強(qiáng)度利用系數(shù)云圖

圖12 舷側(cè)外板屈服強(qiáng)度利用系數(shù)云圖

圖13 舷側(cè)外板屈曲利用系數(shù)云圖

圖14 舷側(cè)外板極限強(qiáng)度利用系數(shù)云圖

除了上述強(qiáng)度校核結(jié)果，全船有限元分析還能得到整個(gè)船體梁的變形結(jié)果，這是傳統(tǒng)的3艙段計(jì)算無(wú)法得到的。以最大中垂工況(工況1)和最大中拱工況(工況2)為例，船體梁變形(單位：cm)云圖15所示。

圖15 船體梁變形云圖

4 結(jié)論

1)采用等效設(shè)計(jì)波方法對(duì)某3 000 m深水鉆井船進(jìn)行全船有限元分析，ABS船級(jí)社的審核結(jié)果驗(yàn)證表明，本文方法正確，結(jié)果準(zhǔn)確。

2)與規(guī)范計(jì)算方法相比，全船有限元分析能夠全面地計(jì)算出船體結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平和變形，能夠?yàn)楹罄m(xù)的局部結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的位移邊界條件。

3)月池中的波浪載荷具有較強(qiáng)非線(xiàn)性，僅采用勢(shì)流理論無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，將進(jìn)一步深入研究月池非線(xiàn)性載荷計(jì)算方法，用于月池局部結(jié)構(gòu)校核。

[1] ABS. Guide for building and classing drillships, hull structural design and analysis (2011版)[S]. USA: ABS,2011.

[2] ABS. Guide for dynamic loading approach for floating production, storage and offloading (FPSO) installations (2010版)[S]. USA: ABS,2010.

[3] 張少雄,陳南華,張偉.8 000 t級(jí)江海直達(dá)駁船的全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算[J].船海工程,2005(5):39-41.

[4] 郭興乾.3 000 m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.

[5] 劉學(xué)勤,張海彬.深水鉆井船運(yùn)動(dòng)性能分析[J].船舶,2013,24(3):12-25.

[6] 郭興乾.深水鉆井船波浪載荷預(yù)報(bào)[J].船舶,2012,23(3):40-67.

[7] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units (2012版)[S]. USA: American Bureau of Shipping,2012:107-111.

[8] DNV. Environmental Conditions and Environmental Loads (2010版)[S]. Norway: DET NORSKE VERITAS,2010:112-115.

Global Hull FE Analysis of 3 000 Meter Deepwater Drilling Ship

SHIQiang,LIUXiao-jie,WANGFei,ZHAOJie,LIUWen-min

(Dalian Shipbuilding Industry Design & Research Institute Co. Ltd., Dalian, Liaoning 116005, China)

Taking a 3 000 m deep water drilling ship as an object, the basic process of global hull analysis was described based on the equivalent design wave method. The RAOs of different dominant load parameters (DLP) were calculated based on the three dimensional potential theory. The response spectra were gotten by using wave spectra. The extreme values of DLP were assessed with short term prediction and long term prediction. The equivalent design waves were selected to carry out the global hull analysis. According to the criteria in ABS rule, the structures strength was checked and the deformation of hull girder was presented. The check results showed that the structures strength of the object drilling ship satisfy ABS rule requirement. The method and results were approved by ABS.

drilling ship; global hull FE analysis; hydrodynamic analysis; equivalent design wave; structural strength

U661.42;TE951

A

1671-7953(2017)06-0001-06

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.001

2017-02-20

2017-03-27

國(guó)家發(fā)展改革委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)(3 000 m深水鉆井船設(shè)計(jì)建造技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化)

石強(qiáng)(1978—)，男，博士，高級(jí)工程師

研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析