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        船體結(jié)構(gòu)強度評估的線性設(shè)計波法研究

        2019-05-16 11:35:52滕洪園郭建軍
        艦船科學(xué)技術(shù) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:控制參數(shù)船體剪力

        夏 風(fēng),黃 東,滕洪園,郭建軍

        (武漢第二船舶設(shè)計研究所,湖北 武漢 430064)

        0 引 言

        在當(dāng)今海洋石油開發(fā)中,浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO)已成為海上平臺開采的油氣處理、加工、存儲和轉(zhuǎn)運的重要裝備之一。由于FPSO長期系泊于特定海域,海洋環(huán)境十分惡劣。因此,必須在設(shè)計階段對其可能遭受的極限載荷進行計算,使船體具有足夠的強度儲備,以保證FPSO全壽命期內(nèi)正常安全的運營。波浪載荷是評估船體結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵性載荷,在海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中,正確地預(yù)報其波浪設(shè)計載荷對平臺的安全運營至關(guān)重要。

        對于海洋平臺結(jié)構(gòu)的波浪設(shè)計載荷與強度分析,根據(jù)其結(jié)構(gòu)類型不同與考慮計算工作量等因素,方法上有所變化和選擇,大體上可分為確定性的設(shè)計波法、隨機性設(shè)計波法以及長期預(yù)報設(shè)計波法,長期預(yù)報設(shè)計波法由于考慮了多種因素的變化,成為船級社船體結(jié)構(gòu)強度校核應(yīng)用較多的波浪載荷直接計算方法,本文采用長期預(yù)報設(shè)計波方法針對某型FPSO的波浪載荷進行計算,為同類型船舶的波浪載荷計算提供參考,并作為船體結(jié)構(gòu)強度有限元分析的設(shè)計輸入,進行船體結(jié)構(gòu)強度校核以及后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作。

        1 設(shè)計波參數(shù)確定方法

        1.1 載荷控制參數(shù)

        由于不同波浪環(huán)境下船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)高應(yīng)力的部位不同,一般選取多個設(shè)計波來校核全船的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。一般采用主要控制參數(shù)來確定對船體不同結(jié)構(gòu)部位的最不利波浪,針對所有主要控制參數(shù)對應(yīng)的每個設(shè)計波進行船體結(jié)構(gòu)強度校核,最終確定船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足船級社結(jié)構(gòu)規(guī)范的強度要求。不同船級社對于設(shè)計波的載荷控制參數(shù)的選取不同,根據(jù)船型不同,設(shè)計波控制參數(shù)的選取也不同。結(jié)合目標(biāo)船的功能特點和結(jié)構(gòu)特點,參考《海上浮式裝置入級規(guī)范(2014版)》[1]的相關(guān)要求,選取目標(biāo)船的船中波浪彎矩以及最大剖面垂向剪力作為主要控制載荷進行設(shè)計波計算。

        1.2 波浪載荷傳遞函數(shù)(RAO)計算

        波浪載荷傳遞函數(shù)指的是船舶在單位波幅規(guī)則波中的各控制載荷參數(shù)的響應(yīng)(如加速度,水動壓力,剖面載荷等)對應(yīng)波浪頻率的傳遞函數(shù)[2],可用三維波浪載荷計算程序得到。

        在計算中,浪向角的范圍一般選取0~330°以30°為步長遞增,波浪頻率選取0.1~2.0 rad/s以0.1 rad/s為間隔。

        1.3 長期預(yù)報

        為了估算極值波浪載荷,先計算該載荷振幅的長期分布,然后按照超越概率確定其極值[3]。

        對一般的海洋結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)振幅,其長期分布的超越概率P(X>x),可表示為:

        在響應(yīng)譜是窄譜情況下,響應(yīng)振幅的短期分布是雷利分布[4],其超越概率

        在工程系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期T小時中,上述響應(yīng)振幅的總出現(xiàn)次數(shù)為:

        1.4 設(shè)計波參數(shù)確定

        分析控制參數(shù)的幅頻響應(yīng)計算結(jié)果,并在浪向和頻率范圍內(nèi)進行搜索,獲得幅頻響應(yīng)最大時對應(yīng)的浪向、頻率及初相位,便為由該控制載荷參數(shù)出發(fā)得到的設(shè)計波參數(shù)[5](浪向、頻率及初相位)。

        通過波浪載荷計算程序得到對應(yīng)于一定超越概率的控制載荷參數(shù)長期值RL,通過搜索可獲得幅頻響應(yīng)傳遞函數(shù)最大值RM,于是對應(yīng)的設(shè)計波的波幅為

        2 計算結(jié)果與分析

        2.1 目標(biāo)船體與計算條件

        針對工作海域為渤海海域的某FPSO進行波浪載荷分析,設(shè)計海況選取為工作海域百年一遇下的自存工況,目標(biāo)船的主要參數(shù)如表 1所示。

        表 1 目標(biāo)船的主要參數(shù)Tab. 1 Major parameter of the target ship

        應(yīng)用COMPASS-WALCS軟件計算目標(biāo)船船體運動響應(yīng)和波浪載荷,目標(biāo)船的水動力模型如圖1所示。

        圖 1 目標(biāo)船水動力模型Fig. 1 Hydrodynamic model of the target ship

        2.2 計算結(jié)果

        2.2.1 載荷響應(yīng)RAO

        為了節(jié)省計算時間,考慮到船舶運動的對稱性,計算中,選取浪向角為 0°,30°,60°,90°,120°,150°和180°下的船中垂向波浪彎矩和最大剖面垂向剪力響應(yīng)RAO進行分析,計算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

        2.2.2 長期預(yù)報結(jié)果

        在計算中,波浪載荷長期預(yù)報的計算統(tǒng)計參數(shù)選取分別如下:

        1)波浪譜選取為Jonswap譜;

        2)波浪形式考慮短峰波的影響;

        圖 2 船中垂向波浪彎矩RAOFig. 2 Vertical wave moment RAO

        圖 3 最大剖面垂向剪力RAOFig. 3 Maximum profile vertical shear force RAO

        4)海浪散布圖為渤海海域波浪散布圖;

        5)超越概率為重現(xiàn)期百年一遇海況下的超越概率。

        計算得到的船中垂向波浪彎矩長期預(yù)報極值如圖4所示,最大剖面垂向剪力長期預(yù)報極值如圖5所示。

        圖 4 船中垂向波浪彎矩長期預(yù)報極值Fig. 4 Long-term forecast extreme value of vertical wave bending moment

        2.2.3 設(shè)計波結(jié)果

        通過目標(biāo)船的波浪載荷RAO及載荷極值計算得到的設(shè)計波波浪參數(shù)如表 2所示。

        確定了各控制參數(shù)的設(shè)計波波浪參數(shù)后,就可采用波浪載荷計算程序得到設(shè)計波載荷(包括船體濕表面靜壓力、波動壓力、運動瞬時加速度等),進而進行船體結(jié)構(gòu)強度評估。

        圖 5 最大剖面垂向剪力長期預(yù)報極值Fig. 5 Long-term forecast extreme value of maximum profile vertical shear force

        表 2 設(shè)計波波浪參數(shù)Tab. 2 Parameters of the design wave

        2.2.4 規(guī)范計算結(jié)果

        根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2015版)》的公式對目標(biāo)船的船中垂向波浪彎矩和最大剖面垂向剪力進行計算,計算結(jié)果如表3所示。

        表 3 目標(biāo)船波浪載荷計算對比Tab. 3 A comparison about the wave load calculation of target ship

        2.3 波浪載荷計算結(jié)果分析

        中國船級社(CCS)在《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2015版)》當(dāng)中規(guī)定了使用設(shè)計波進行波浪載荷的直接計算方法,并且規(guī)定通過線性波浪理論得到的波浪彎矩和波浪剪力應(yīng)按相關(guān)要求進行非線性修正,其中波浪彎矩非線性修正系數(shù)如下:

        考慮非線性修正后剪力沿船長的分布系數(shù)分別按MERGEFORMAT 圖6和圖7進行計算。

        圖 6 系數(shù)沿船長分布Fig. 6 The coefficient distributed along the length of the ship

        圖 7 系數(shù)沿船長分布Fig. 7 The coefficient distributed along the length of the ship

        長期預(yù)報設(shè)計波法計算的船中垂向波浪彎矩、最大剖面垂向剪力與CCS規(guī)范計算的波浪彎矩、波浪剪力計算結(jié)果對比見表3。

        3 船體結(jié)構(gòu)強度評估

        3.1 模型建立

        使用MSC.Patran軟件建立了FPSO全船有限元模型如圖8所示。模型采用右手坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點位于FR0尾垂線與基線交點處,X軸指向船首為正,Y軸指向左舷為正,Z軸向上為正。模型中使用了板單元和梁單元,網(wǎng)格按照縱骨間距和肋距進行劃分。

        圖 8 全船有限元模型Fig. 8 The finite element model of whole ship

        3.2 計算載荷施加

        船體結(jié)構(gòu)強度評估的設(shè)計載荷包括靜載荷與動載荷。其中靜載荷包括重力載荷(船舶自重)、舷外靜水壓力及液艙靜壓力,動載荷包括舷外水動壓力、液艙動壓力及全船慣性載荷。通過編寫PCL程序?qū)⒃O(shè)計波下的舷外水壓力(包括靜水壓力與波浪動壓力,如圖9和圖10所示)及液艙壓力(包括液艙靜壓力與液艙動壓力)計算結(jié)果以壓力場的形式施加在patran模型中,重力載荷與全船慣性載荷則以加速度場的形式施加于模型上。

        圖 9 舷外靜水壓力云圖Fig. 9 The hydrostatic pressure cloud picture of outshell

        圖 10 舷外波動壓力云圖Fig. 10 The dynamic pressure cloud picture of outshell

        3.3 邊界條件

        根據(jù)CCS《海上浮式裝置入級規(guī)范(2014版)》的相關(guān)要求,采用慣性釋放的方法實現(xiàn)全船的準(zhǔn)靜態(tài)強度的分析。慣性釋放的原理即相當(dāng)于在整船的重心位置處施加一個“虛支座”,用來平衡整個系統(tǒng)的不平衡力,該方法的應(yīng)用前提是慣性釋放之前整個系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到近似的平衡狀態(tài),其整體不平衡力應(yīng)滿足:在迎浪狀態(tài)下,不超過對應(yīng)排水量的1%;橫浪及斜浪狀態(tài),不超過對應(yīng)排水量的2%。

        3.4 評估結(jié)果

        通過有限元軟件MSC.Nastran的計算,經(jīng)過后處理得到設(shè)計波載荷作用下的極限工況(各設(shè)計波載荷工況的包絡(luò))整船應(yīng)力云圖如圖11所示。

        圖 11 極限工況下整船應(yīng)力云圖Fig. 11 The stress cloud picture of whole ship under extreme condition

        排除應(yīng)力集中及網(wǎng)格形狀不佳的單元應(yīng)力,提取主要構(gòu)件局部最大相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果如表4所示。

        表 4 主要構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果Tab. 4 The stress results of main component

        4 結(jié) 語

        本文使用線性設(shè)計波法,對某FPSO進行波浪載荷計算,得到其等效設(shè)計波波浪參數(shù)。同時,根據(jù)其設(shè)計波載荷進行了該FPSO的船體結(jié)構(gòu)強度分析。分析結(jié)果表明:

        1)用線性設(shè)計波法計算的波浪載荷比規(guī)范計算法得到的波浪載荷稍大,這是因為規(guī)范中波浪載荷的計算公式適用于 L<500 m,L/B>5,B/D<2.5,的常規(guī)船型,而目標(biāo)船L/B=3.78超出了規(guī)范計算公式的使用要求,需要采用直接計算法計算其波浪載荷,采用線性設(shè)計波法計算的目標(biāo)船波浪載荷更為保守。

        2)CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2015)》中給定了對于線性設(shè)計波法直接計算波浪載荷的非線性修正公式,波浪載荷非線性修正結(jié)果與線性設(shè)計波直接計算結(jié)果相差不大,用線性設(shè)計波法能較好的預(yù)報目標(biāo)船這類方形系數(shù)較大、非線性效應(yīng)不顯著的船型。

        3)由船體結(jié)構(gòu)強度評估結(jié)果可以看出,在不考慮應(yīng)力集中的情況下,極限工況下的船體主要構(gòu)件的應(yīng)力水平滿足規(guī)范對總縱強度的要求。

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