基于砰擊載荷的FPSO結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)研究

渠基順，谷家揚(yáng)，韋 琪，楊 玥，張忠宇

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院, 鎮(zhèn)江 212003)

(2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)

(3.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

波浪砰擊過(guò)程涉及波浪強(qiáng)非線性、瞬時(shí)效應(yīng)的物理特性，一直是海洋工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，嚴(yán)重的砰擊會(huì)對(duì)沖擊區(qū)域產(chǎn)生巨大的沖擊壓力，造成局部結(jié)構(gòu)破壞[1].浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油船(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)作為油田開(kāi)采核心設(shè)施，需永久停駐在惡劣的海洋環(huán)境中，對(duì)FPSO的設(shè)計(jì)提出了更高的要求.圓筒形FPSO比常規(guī)船型相比擁有更大的水線面面積，較好的穩(wěn)性和水動(dòng)力性能，能較好適用于深淺水各種海洋環(huán)境[2].如何準(zhǔn)確評(píng)估砰擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)安全性，一直是困擾工程屆的難題.文獻(xiàn)[3]采用模型試驗(yàn)方法研究半潛式鉆井平臺(tái)在不同浪向下的波浪砰擊載荷及其分布，研究表明橫浪環(huán)境波浪砰擊最為嚴(yán)重，迎浪次之，砰擊載荷在空間上具有明顯的三維特征.文獻(xiàn)[4]基于Fluent與Sesam分別計(jì)算了船體砰擊壓力系數(shù)和砰擊瞬時(shí)船體與波浪之間的相對(duì)速度，采用“兩步走”的方法對(duì)船首底部及外飄處的砰擊載荷進(jìn)行研究.考慮砰擊載荷在船首區(qū)域的時(shí)空分布，將該載荷分區(qū)施加在船首結(jié)構(gòu)表面，計(jì)算了船首結(jié)構(gòu)在砰擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng).文獻(xiàn)[5]基于CFD求解器的STAR與有限元軟件ABAQUS進(jìn)行交互耦合計(jì)算，對(duì)船體模型在實(shí)驗(yàn)水池的砰擊現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值仿真，分析結(jié)構(gòu)砰擊壓力、結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力應(yīng)變分布情況.文中以國(guó)內(nèi)某FPSO工程項(xiàng)目為例，基于砰擊試驗(yàn)包絡(luò)載荷和DNVGL規(guī)范獲取載荷時(shí)歷曲線，采用ABAQUS有限元軟件顯示動(dòng)力學(xué)求解方法，對(duì)砰擊載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，并研究砰擊載荷爬升時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響.

1 顯示算法求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程

(1)

(2)

速度對(duì)時(shí)間的積分并加上在增量步開(kāi)始時(shí)的位移以確定增量步結(jié)束時(shí)的位移：

(3)

式中，Δt為積分時(shí)間步長(zhǎng)，應(yīng)用顯示求解時(shí)，模型的狀態(tài)通過(guò)時(shí)間的增量發(fā)生變化，但時(shí)間增量不能超過(guò)穩(wěn)定極限.

2 計(jì)算模型及載荷

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 有限元模型

文中研究對(duì)象為圓筒形FPSO，為周向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，考慮砰擊載荷為局部載荷，取1/8結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元建模.模型范圍為垂向：水線18 m至工藝甲板33 m；徑向：R31 m艙壁至外板；周向：R8(90°)艙壁至R12(135°)艙壁.為提高計(jì)算精度[6]，有限元模型全部采用板單元模擬，模型采用S4R減縮積分單元，局部采用S3R減縮積分單元過(guò)渡，厚度方向賦予5個(gè)辛普森積分點(diǎn)，網(wǎng)格尺寸約為150 mm×150 mm.外板設(shè)計(jì)時(shí)，飛濺區(qū)域距直線14.5 m至27.8 m，考慮了6 mm的腐蝕余量，有限元模型中去除.為保證計(jì)算精度，模型中所有的開(kāi)孔和肘板都已精確模擬，圓筒形FPSO分段有限元模型如圖1.

圖1 FPSO局部結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1.2 彈塑性本構(gòu)模型

根據(jù)DNVGL-RP-C208規(guī)范的要求，用于非線性有限元分析的材料模型應(yīng)能夠反映材料在加載和卸載的非線性行為.對(duì)于金屬材料，通常使用與時(shí)間無(wú)關(guān)的彈塑性本構(gòu)模型，初始屈服面條件取Mises屈服準(zhǔn)則，強(qiáng)化模型采用各向同性強(qiáng)化模型.應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)抨P(guān)系，如圖2，另外，需要考慮板厚對(duì)材料屬性的影響，規(guī)范中給出了不同板厚所對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)，需對(duì)不同板厚的材料屬性分類定義，平臺(tái)均選用AH36高強(qiáng)鋼.

圖2 應(yīng)變?chǔ)液蛻?yīng)力ε關(guān)系定義

(4)

式中：C和p為常數(shù)，DHF表示材料的實(shí)際應(yīng)力與應(yīng)變率為0.001 s-1應(yīng)力結(jié)果的比值.在工程應(yīng)用中，規(guī)范建議船用鋼材采用參數(shù)C=4 000 s-1和p=5，因此文中采用規(guī)范推薦參數(shù).

2.2 計(jì)算載荷及工況

2.2.1 計(jì)算載荷

一般情況下，平臺(tái)在迎浪的狀態(tài)中最容易發(fā)生砰擊.砰擊模型試驗(yàn)(圖3)在上海交通大學(xué)進(jìn)行，波浪角度考慮0、30°和60°，吃水選取最大22.8 m、最小16.5 m和中間20.8、18.5 m總計(jì)4種，共計(jì)50種不同的試驗(yàn)工況.選取最大砰擊載荷為南海百年一遇環(huán)境載荷，隨機(jī)波浪有義波高為13.7 m，譜峰周期為15.1 s，波浪采用Jonswap譜，流速為1.99 m/s，模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)取超越概率水平90%.采用此工況試驗(yàn)載荷(包絡(luò)載荷)作為砰擊強(qiáng)度校核的輸入，換算到實(shí)尺度大小為438.2 kN/m2.

圖3 FPSO砰擊試驗(yàn)

載荷的時(shí)歷分布參照規(guī)范DNV_GL_OTG14相關(guān)要求獲得，最大砰擊載荷(包絡(luò)載荷)作為峰值，結(jié)合圖4不同持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的載荷和峰值載荷的比值關(guān)系和圖5載荷時(shí)歷曲線的獲取方法，最終得到用于文中計(jì)算的砰擊壓力P的時(shí)歷曲線(圖6).

圖4 不同壓力水平下持續(xù)載荷和峰值載荷的比值

圖5 基于規(guī)范的載荷時(shí)歷曲線

圖6 砰擊載荷時(shí)歷曲線

圖5為文中計(jì)算的砰擊載荷時(shí)歷曲線，時(shí)間總長(zhǎng)110 ms，計(jì)算砰擊載荷爬升時(shí)間取10 ms.

2.2.2 計(jì)算工況

根據(jù)規(guī)范[8]，載荷作用區(qū)域?yàn)榫匦螀^(qū)域，骨材跨距不小于3 m.文中載荷作用區(qū)域是個(gè)矩形，高度方向3 m，寬度方向?yàn)橥獍?個(gè)骨材間距(>3 m).考慮載荷中心點(diǎn)分別施加在寬度和高度方向上的強(qiáng)框、普通框架、艙壁處，共計(jì)18個(gè)工況，如表1.工況1～9的載荷作用區(qū)域是上下兩個(gè)水平桁之間的外板區(qū)域，工況10～18載荷作用區(qū)域?yàn)樗借焐舷赂髯?.5 m區(qū)域，如圖7.

圖7 各工況載荷施加示意圖

表1 各工況載荷中心作用區(qū)域

邊界條件：模型R8(90°)艙壁至R12(135°)艙壁采用關(guān)于艙壁對(duì)稱約束，其余邊界條件采用簡(jiǎn)支約束，盡量減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.

3 結(jié)果分析

3.1 失效衡準(zhǔn)

文中衡準(zhǔn)依據(jù)規(guī)范[9]，在規(guī)定的平板上施加面內(nèi)載荷CC01和組合載荷CC02求出臨界應(yīng)變值，判斷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變值是否小于臨界應(yīng)變值.平板結(jié)構(gòu)選用AH36鋼材，通過(guò)計(jì)算得出面內(nèi)載荷模式CC01和組合載荷模式CC02對(duì)應(yīng)的臨界應(yīng)變衡準(zhǔn)如表2，δx，σz分別表示x和z方向的強(qiáng)迫位移.對(duì)于面內(nèi)整體失效衡準(zhǔn)采用CC01計(jì)算結(jié)果，臨界失效應(yīng)變?nèi)?.045；當(dāng)面內(nèi)塑性主應(yīng)變大于0.02的區(qū)域長(zhǎng)度小于20倍板厚的情況，臨界失效應(yīng)變?nèi)?.083；對(duì)于面外局部失效衡準(zhǔn)采用CC02計(jì)算，臨界失效應(yīng)變?nèi)?.108.

文中首先采用面內(nèi)整體失效衡準(zhǔn)0.045進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于超標(biāo)區(qū)域再判斷是面內(nèi)局部失效和面外局部失效并校核.

3.2 計(jì)算結(jié)果

基于砰擊載荷時(shí)歷載荷，采用彈塑性本構(gòu)材料模型，利用ABAQUS/Explicit顯示積分求解結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng).計(jì)算結(jié)果顯示：表3為18種計(jì)算工況下FPSO結(jié)構(gòu)響應(yīng)剛進(jìn)入塑性應(yīng)變階段，沒(méi)有產(chǎn)生大的塑性應(yīng)變，最大塑性主應(yīng)變產(chǎn)生在工況17窗戶旁T型材面板處，大小為5.8×10-3，結(jié)構(gòu)塑性主應(yīng)變遠(yuǎn)小于面內(nèi)整體失效衡準(zhǔn)4.5×10-2,平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全裕度大.這說(shuō)明通過(guò)傳統(tǒng)規(guī)范設(shè)計(jì)方法獲得的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)比較保守，有一定的優(yōu)化空間.

從圖8應(yīng)變和應(yīng)力云圖可以看出：當(dāng)載荷中心作用于強(qiáng)框時(shí)，應(yīng)力最大區(qū)域集中在外板；當(dāng)載荷中心作用于兩個(gè)強(qiáng)框中間時(shí)，應(yīng)力最大區(qū)域集中在豎向T型材面板或外板上；當(dāng)載荷作用于窗戶區(qū)域時(shí)，應(yīng)力最大區(qū)域集中于窗框角隅處，以上區(qū)域應(yīng)為設(shè)計(jì)重點(diǎn)評(píng)估區(qū)域.

3.3 砰擊載荷爬升時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響分析

砰擊載荷爬升時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)變均有影響，分別選取爬升時(shí)間5、10、15、20 ms，載荷峰值和載荷持續(xù)時(shí)間相同，如圖9，探究砰擊載荷爬升時(shí)間對(duì)砰擊強(qiáng)度和應(yīng)變的影響.選取應(yīng)力、應(yīng)變最大工況17進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4.砰擊強(qiáng)度和應(yīng)變峰值位置沒(méi)有變，均發(fā)生在外板T型材面板處，但砰擊強(qiáng)度和應(yīng)變幅值發(fā)生變化.

圖9 不同砰擊載荷爬升時(shí)間時(shí)歷曲線

從表4可以看出，砰擊爬升5 ms工況和10 ms工況砰擊強(qiáng)度基本相同，相差0.14%，塑性主應(yīng)變相差3%.隨著砰擊載荷爬升時(shí)間的增加，砰擊強(qiáng)度和塑性主應(yīng)變減少幅度變大，當(dāng)爬升時(shí)間達(dá)到20 ms，砰擊強(qiáng)度相差1.73%，塑性主應(yīng)變相差20.22%.這是由于砰擊載荷爬升時(shí)間越小，材料應(yīng)變率越高，高應(yīng)變率使塑性變形則更集中于某一局部區(qū)域，塑性變形不均勻，這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高.當(dāng)載荷爬升時(shí)間超過(guò)10 ms，應(yīng)力和塑性應(yīng)變的增大趨勢(shì)加快，塑性變形發(fā)展的更加充分，因此，評(píng)估砰擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)需對(duì)載荷爬升時(shí)間做敏感性分析.

表4 不同砰擊載荷爬升時(shí)間結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 基于砰擊載荷的FPSO結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大塑性主應(yīng)變?yōu)?.8×10-3，滿足衡準(zhǔn)要求，且安全裕度較大.

(2) 砰擊載荷爬升時(shí)間越小，材料應(yīng)變率越高，高應(yīng)變率使塑性變形則更集中于某一局部區(qū)域，塑性變形不均勻，限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高.

(3) 砰擊載荷爬升時(shí)間超過(guò)10 ms時(shí)，應(yīng)力和塑性應(yīng)變的增大趨勢(shì)加快，塑性變形發(fā)展的更加充分.因此，采用規(guī)范[10]推薦的方法評(píng)估砰擊載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)需對(duì)載荷爬升時(shí)間做敏感性分析.