大型FPSO上層建筑吊裝強度有限元分析

周 慶，向小斌，王初龍，龔偉兵

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

大型FPSO上層建筑吊裝強度有限元分析

周 慶，向小斌，王初龍，龔偉兵

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

通過SESAM/GeniE軟件對總重達1 800 t的FPSO上層建筑整體吊裝進行有限元仿真分析，計算載荷按照DNV規(guī)范選取，通過計算得到整個上層建筑在吊裝中的結(jié)構(gòu)響應。計算中模擬了鋼絲繩索具，從而能更準確地計算吊耳的應力和變形，同時還能夠計算得到浮吊的每個鉤頭的實際載荷，保證單個鉤頭載荷不超載。有限元計算為上層建筑整體吊裝方案的可行性提供了依據(jù)，計算結(jié)果可以用來優(yōu)化吊裝方案及指導局部加強措施，從而保證整體吊裝的順利進行。

FPSO；上層建筑吊裝；強度分析；有限元

0 引言

上層建筑整體吊裝在船舶與海洋工程建造中應用較廣，國內(nèi)外一些大型海洋工程船舶和平臺的上層建筑通常采用模塊化的建造方法，以大大提高預舾裝率，上層建筑整體吊裝能夠顯著提高勞動生產(chǎn)效率和建造進度。然而大型海洋工程船舶與平臺的上層建筑因為設計定員較多，整體重量要遠遠大于常規(guī)船舶的上層建筑，整體吊裝難度也相應增大。近年來隨著船廠吊裝設備能力的提高和吊裝工藝的逐步改進，吊裝的上層建筑的尺寸和重量也越來越大，如何檢驗吊裝方案的合理性，保證吊裝安全可靠成為一個關(guān)鍵問題。近年來，應用有限元法對吊裝過程進行數(shù)值仿真分析，成為上層建筑整體吊裝的重要研究課題，李永正[1]等利用有限元法計算了大型油船上層建筑吊裝前和吊裝時的結(jié)構(gòu)響應，袁紅莉等[2]及王峰等[3]對大型船舶上層建筑整體吊裝的工藝進行了研究，并應用有限元計算進行驗證。

本文依據(jù)DNV規(guī)范[4]，以某大型FPSO的上層建筑為研究對象，利用有限元軟件SESAM/GeniE，對重達1 800 t的FPSO上層建筑的整體吊裝進行數(shù)

值仿真分析，計算了上層建筑吊裝過程中的應力和變形，驗證了吊裝方案的可行性。

1 上層建筑基本情況和有限元模型

1.1 上層建筑基本情況

該大型FPSO上層建筑設計定員為110人，共分七層，從上至下分別為頂甲板、四甲板、三甲板、二甲板、一甲板、艉樓甲板和中間甲板，整個上層建筑長41.4 m、寬13.5 m、高23.5 m。所有結(jié)構(gòu)均采用AH36高強度鋼建造，材料許用應力為355 MPa，材料密度為ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量為E=2.05×1011，泊松比 v=0.3，整個模塊的重量重心如表1所示。

表1 模塊的重量重心

1.2 吊裝方案

該上層建筑采用某2 000 t浮吊吊裝，該浮吊有四個500 t主鉤，相對應的在上層建筑上布置了四組吊點，每組8個吊耳，一共32個吊耳。吊耳布置于上層建筑的艏艉兩側(cè)，以前后圍壁的上端為吊耳眼板，吊耳通過鋼絲繩、滑輪等與浮吊鉤頭連接，如圖1所示。

圖1 吊耳布置

1.3 有限元模型

利用SESAM/GeniE有限元計算軟件建立整個上層建筑的結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2和圖3所示。甲板、艙壁、縱桁及橫梁的腹板采用板單元建模，縱桁和橫梁的面板、甲板縱骨及艙壁扶強材等采用梁單元建模，鋼絲繩用桿單元建模。上層建筑結(jié)構(gòu)縱骨間距為900 mm，總體網(wǎng)格尺寸為450 mm×450 mm，即每個縱骨間距兩個網(wǎng)格，吊耳附近區(qū)域細化網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm。分析計算采用公制單位，長度單位為m，力的單位為N，應力單位為Pa(N/m2)。

圖2 顯示板厚的整體有限元模型

圖3 顯示板厚的局部有限元模型

1.4 坐標系、邊界條件及載荷工況

坐標系定義：采用右手法則，定義Fr0與基線和中線的交點為坐標原點，x軸為沿船長方向，指向船首為正，y軸為沿船寬方向，指向左舷為正，z方向向上為正。

邊界條件：所有吊點鋼絲繩索具末端約束x、y、z三個方向位移，另外在有限元模型上通過理論重心的截面上選取兩個節(jié)點，一個節(jié)點位于橫向結(jié)構(gòu)上，約束它的x方向位移，另外一個節(jié)點位于縱向結(jié)構(gòu)上，約束它的y方向位移，如圖4所示。本文中使用桿單元模擬鋼絲繩索具是為了計算鋼絲繩的支反力，從而計算四鉤頭浮吊每個鉤頭的實際分擔

載荷，防止單個鉤頭超載。

圖4 邊界條件

載荷工況：表1中的結(jié)構(gòu)分項重量由軟件根據(jù)模型自動生成，其它分項重量通過設備單元分層施加在上層建筑各層甲板上。根據(jù)DNV規(guī)范[4]，吊裝有限元計算需要考慮吊裝作業(yè)的動態(tài)放大效應、重量偏差、重心偏移、索具偏差等因素影響，對吊裝載荷進行修正，載荷修正系數(shù)如表2所示。因為表1中重量重心數(shù)據(jù)已經(jīng)包含10%的余量，所以表2中重量偏差和重心偏移修正值均取1.00。

表2 重量偏差和重心偏移修正值

除了上述吊裝作業(yè)載荷修正系數(shù)以外，DNV規(guī)范[4]還針對吊裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類，規(guī)定了額外的載荷系數(shù)如表3所示。

表3 載荷系數(shù)

綜合表 2和表 3，可得最大的載荷系數(shù)為1.31×1.7=2.227，對應的AH36高強鋼材料許用應力為355/2.227=159.4 MPa。

2 有限元計算

根據(jù)DNV規(guī)范[4]，采用許用應力法進行吊裝計算，計算得到的應力和變形分布見圖5～圖8所示。

圖5 整體應力分布

圖6 整體位移分布

3 結(jié)果分析

整理各部位的最大應力和變形結(jié)果如表4所示，由結(jié)果可見，整個結(jié)構(gòu)應力均未超過DNV規(guī)范[4]許用應力要求，結(jié)構(gòu)強度滿足吊裝要求。

表4 各部位的最大應力和變形結(jié)果

從圖7中可見，吊裝引起的高應力除了分布在吊耳區(qū)域外，一些門窗開孔的角隅部位應力值也相對很大，最大應力155.4 MPa發(fā)生在吊點下方強支撐結(jié)構(gòu)上，如圖9所示。該處結(jié)構(gòu)根據(jù)初次計算結(jié)果，經(jīng)過加強處理后，最終的應力結(jié)果滿足了許用應力要求。

圖9 最大應力位置

為了保證吊裝作業(yè)中浮吊單個鉤頭不超載，使用桿單元模擬了鋼絲繩，計算結(jié)果中可以方便地提取這些桿單元的支反力，如圖10所示。

圖10 吊點鋼絲繩支反力

通過計算每組吊點的8根鋼絲繩支反力之和，可以得到每個鉤頭的實際分擔載荷，計算得到四組吊點對應的鉤頭載荷，如表5所示。

表5 四組吊點對應的鉤頭載荷

4 結(jié)論

本文根據(jù)DNV規(guī)范[4]，通過有限元方法，對總重達1 800 t的FPSO上層建筑整體吊裝進行了數(shù)值仿真分析。通過有限元計算，得到該上層建筑結(jié)構(gòu)吊裝時的結(jié)構(gòu)響應，同時對鋼絲繩索具進行了模擬，通過鋼絲繩支反力來校核浮吊單個鉤頭的載荷。

通過對計算結(jié)果的分析可知，吊裝時的最大應力容易出現(xiàn)在吊點的強支撐結(jié)構(gòu)上以及吊點附近的開口角隅部位。通過有限元計算可以提前發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采取相應的加強措施，以保證加強后的局部強度滿足吊裝要求，保證整體吊裝作業(yè)的順利安全進行。

[1]李永正, 王珂, 郭瑋.大型油船上層建筑整體吊裝強度有限元分析[J].科學技術(shù)與工程, 2012, 12(36): 10011-10016.

[2]袁紅莉, 蔡振雄, 陳章蘭.53 000DWT散貨船上層建筑整體吊裝工藝設計[J].船舶工程, 2009,31(2): 1-3.

[3]王鋒, 汪家政.大型船舶上層建筑整體吊裝技術(shù)研究及應用[J].造船技術(shù), 2011, 299(1): 20-22.

[4]DNV.Rules for Planning and execution of Marine Operations[S].2000.

[5]中國船級社.船體結(jié)構(gòu)強度直接計算指南[S].北京:人民交通出版社, 2001.

FEM Analysis of Lifting Strength of Large FPSO Super-structure

Zhou Qing, Xiang Xiao-bin, Wang Chu-long, Gong Wei-bing

(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

By the software SESAM/GeniE, the FEM analysis is performed to simulate and analyze the strength for the lifting of large FPSO super-structure of 1 800 t.The loads are applied according to the rule of DNV and the structural response caused by lifting can be obtained.The lifting slings are also simulated to accurately calculate the response of lifting pad-eyes.Meanwhile, the load of each hook of lifting barge can be calculated to avoid overload.The FEM calculation offers basis for the feasibility of the lifting scheme of the super-structure.The calculating result can be used to optimize the lifting scheme and to guide part enhancement measure, which guarantees the lifting work goes smoothly.

FPSO; super-structure lifting; strength analysis; finite element

U663.6

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.004

周慶（1974—），男，碩士，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設計與分析。