總縱彎曲對設(shè)備基座結(jié)構(gòu)影響及解決方法

王 培，蔣振亞，王 婕

(1.北京數(shù)碼易知科技發(fā)展責(zé)任有限公司，北京 100007；2.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226001)

0 引言

浮式生產(chǎn)儲油裝置(Floating，Production，Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)因擁有巨大的油料貨艙而具有良好的儲油能力(一般常規(guī)運(yùn)貨輪的方形系數(shù)約為0.8，而FPSO的方形系數(shù)大于0.9)，滿載時(shí)其貨油重量約占全船重量的3/4～4/5，且大部分重量作用在船中，所以FPSO受到的總縱彎曲影響遠(yuǎn)大于一般常規(guī)貨輪。當(dāng)FPSO主甲板抵抗總縱彎曲時(shí)，主甲板上布置的大量配套設(shè)備基座結(jié)構(gòu)將會一同參與到受力當(dāng)中，從而不可避免地會遭受到結(jié)構(gòu)性損傷。

為此，本文提出了一種創(chuàng)新型“隔斷式”基座設(shè)計(jì)方法，并使用MSC.PATRAN&NASTRAN軟件將其與常規(guī)基座設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)值仿真比較，以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可靠性。

1 有限元模型

本文將以某型FPSO的局部分段為研究對象，依據(jù)法國船級社(BV)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究對比。分段相關(guān)參數(shù)見表1，設(shè)備相關(guān)信息見表2。

表1 分段參數(shù)

表2 設(shè)備信息

本文將采用有限元方法，利用MSC.PATRAN建立分段及設(shè)備基座模型進(jìn)行對比研究，具體模型見圖1。分段模型依據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系，原點(diǎn)定為Fr161與中縱剖面和基線相交點(diǎn)；原點(diǎn)沿船長方向?yàn)榉较颍贼疾繛檎?；原點(diǎn)沿船寬方向?yàn)榉较?，以左舷為正；原點(diǎn)沿垂向?yàn)榉较颍载Q直向上為正。本模型網(wǎng)格大小根據(jù)研究目標(biāo)及實(shí)際因素考慮，采用逐層過渡至設(shè)備基座及坐落區(qū)，目標(biāo)網(wǎng)格最終取50 mm×50 mm。

圖1 某型FPSO分段模型

本文研究的某型FPSO，其鋼材特性詳見表3。設(shè)備基座結(jié)構(gòu)及坐落甲板區(qū)域涉及鋼材種類均為AH32級鋼，其最小屈服應(yīng)力為315 MPa。

表3 鋼材特性

本次計(jì)算將分別在Fr161、Fr246肋位確定剖面中性軸位置，建立多點(diǎn)約束(MPC)點(diǎn)對兩段剖面進(jìn)行約束，并于兩端面的MPC點(diǎn)上分別施加對應(yīng)總縱彎矩，具體約束見表4。

表4 邊界條件

2 隔斷式基座設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)設(shè)備基座結(jié)構(gòu)時(shí)，一般根據(jù)其輪廓及墩放點(diǎn)位置，在該設(shè)備下方設(shè)立腹板及面板組成T型材或L型材進(jìn)行支撐，同時(shí)配以肘板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，見圖2，圖中箭頭表示結(jié)構(gòu)連續(xù)。

圖2 常規(guī)基座示意圖

FPSO作為特殊海洋結(jié)構(gòu)物，其主甲板上布置大量專用設(shè)備，其中部分特殊設(shè)備投影面積大，固定連接點(diǎn)多，對應(yīng)基座加強(qiáng)不可避免地增加了結(jié)構(gòu)跨度尺寸。FPSO受總縱彎曲影響較一般船型明顯，因此大跨度的基座結(jié)構(gòu)會參與到總縱彎曲的影響中，從而導(dǎo)致基座結(jié)構(gòu)遭受損傷。其結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于許用標(biāo)準(zhǔn)，而增加基座結(jié)構(gòu)的板厚、肘板數(shù)量等常見加強(qiáng)方式無法起到明顯作用(在某項(xiàng)實(shí)際案例中，甚至出現(xiàn)了5 t以下設(shè)備，采用18 mm板厚都無法滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況)。

針對上述情況，從載荷傳遞方式的角度出發(fā)，本文將采用隔斷式基座設(shè)計(jì)來減小總縱彎曲對基座造成的影響，見圖3。該設(shè)計(jì)采用減少腹板、肘板與主甲板之間的接觸來切斷總縱彎曲的傳遞路徑，同時(shí)該基座上連續(xù)的結(jié)構(gòu)依然可以為設(shè)備提供固定連接點(diǎn)以維持基座的穩(wěn)固。

圖3 隔斷式基座示意圖

3 對比計(jì)算

在拖航工況下，本文以某型設(shè)備為例建立A、B 2種基座模型，其中：模型A為常規(guī)設(shè)計(jì)，模型B為隔斷式設(shè)計(jì)。2個(gè)模型除基座結(jié)構(gòu)不同外，其余參數(shù)信息，如連接點(diǎn)位置、基座板厚等均一致。如圖4、圖5所示，首先確定設(shè)備重心位置點(diǎn)，建立MPC(REB2)抓取設(shè)備基座連接點(diǎn)。

圖4 常規(guī)基座MPC抓取受力點(diǎn)

圖5 隔斷式基座MPC抓取受力點(diǎn)

設(shè)備水平力設(shè)定為8個(gè)典型方向進(jìn)行分析，見圖6。方向1、3、5、7的水平力由沿向(向)加速度乘以設(shè)備拖航質(zhì)量得到；方向2、4、6、8的水平力由向值與向值進(jìn)行三角函數(shù)分解得到。

圖6 水平受力示意圖

圖7 垂向受力示意圖

設(shè)備垂向力由向加速度乘以設(shè)備拖航質(zhì)量，并同時(shí)疊加設(shè)備自重得到。某設(shè)備各項(xiàng)受力值見表5。設(shè)備坐落區(qū)四周根據(jù)甲板載荷布置施加甲板載荷，同時(shí)由于本次計(jì)算為拖航工況，故施加由船舶垂向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的額外甲板載荷，由甲板載荷乘以垂向運(yùn)動(dòng)加速度得到。

表5 某設(shè)備各項(xiàng)受力值 單位：N

根據(jù)該型FPSO的總縱彎矩包絡(luò)曲線，選取對應(yīng)截面的靜水中垂彎矩與波浪中垂彎矩進(jìn)行疊加，詳見表6。

表6 中垂彎矩 單位：N·mm

圖8、圖9為疊加后的中垂彎矩值施加于模型兩端的示意。

圖8 Fr161端面彎矩施加

圖9 Fr246端面彎矩施加

本次計(jì)算除上述描述的載荷外，還將于點(diǎn)施加設(shè)備重量并在全局施加結(jié)構(gòu)自重。同時(shí),為了進(jìn)一步證明隔斷式基座設(shè)計(jì)的必要性，模型A、B中均增加一個(gè)對比計(jì)算，即所有工況載荷一致，但不包含總縱彎曲影響。

4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)法國船級社規(guī)范要求，許用應(yīng)力由如下公式計(jì)算得出：

=1.1

式中：為工況系數(shù)，拖航工況取值為0.8；為材料屈服強(qiáng)度，本次研究區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均為AH32級鋼材，所以許用應(yīng)力為277 MPa。

表7～表9分別為剪切應(yīng)力、正應(yīng)力、綜合應(yīng)力結(jié)果對比。本文僅選LC01的綜合應(yīng)力進(jìn)行展示，見圖10～圖13。

表7 剪切應(yīng)力結(jié)果對比 單位：MPa

表8 正應(yīng)力結(jié)果對比 單位：MPa

表9 綜合應(yīng)力結(jié)果對比 單位：MPa

圖10 LC01下常規(guī)式基座(無總縱彎曲)

圖11 LC01下常規(guī)式基座(含總縱彎曲)

圖12 LC01下隔斷式基座(無總縱彎曲)

圖13 LC01下隔斷式基座(含總縱彎曲)

從對比結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，無總縱彎曲影響時(shí)，常規(guī)基座與隔斷式基座的剪切應(yīng)力、正應(yīng)力、綜合應(yīng)力均符合設(shè)備自身載荷作用的實(shí)際效果，且兩者的3項(xiàng)應(yīng)力差值均在10 MPa以內(nèi)。當(dāng)施加總縱彎曲影響后，常規(guī)基座綜合應(yīng)力達(dá)到459 MPa，隔斷式基座綜合應(yīng)力256 MPa，兩者綜合應(yīng)力均大幅提升(由于剪切應(yīng)力與正應(yīng)力的變化規(guī)律與綜合應(yīng)力相同，故后續(xù)以綜合應(yīng)力進(jìn)行分析)。通過結(jié)果數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備自身實(shí)際載荷已無法產(chǎn)生該作用力，且基座綜合應(yīng)力值幾乎不再隨工況浮動(dòng)，由此可判定總縱彎曲已完全代替設(shè)備自身載荷作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要影響因素。而隔斷式基座受力明顯小于常規(guī)式基座，且所有工況均符合許用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，2種基座的應(yīng)力差值達(dá)到200 MPa以上。因此,隔斷式基座的設(shè)計(jì)方法可有效抵抗總縱彎曲帶來的不良影響。同時(shí)通過對比結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，隔斷式基座在總縱彎曲影響下，綜合應(yīng)力增值幅度也較大，該原因與隔斷式基座橫向構(gòu)件依然大面積接觸主甲板有關(guān)。因此，在后續(xù)實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況酌情考慮隔斷間隔的設(shè)置。

5 結(jié)論

(1)較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，隔斷式基座設(shè)計(jì)思路更能滿足總縱彎曲影響下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

(2)本文僅單一分析了隔斷式基座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還未考慮該結(jié)構(gòu)形式的疲勞強(qiáng)度。因此，后續(xù)可將該形式基座結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度作為研究重點(diǎn)。