FPSO生活模塊總段浮式吊裝有限元分析

黃渙青+石科良+鐘星海

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院，廣州 510250）

摘 要：本文選取一艘FPSO的生活模塊總段進(jìn)行浮式吊裝有限元分析，建立了包括索具和生活模塊的有限元模型模擬吊裝過程。參考GL-Noble Denton指南，分別計算了模塊吊裝前和吊裝過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得出浮吊每個吊鉤的實(shí)際載荷。通過分析，簡要總結(jié)了吊裝作業(yè)的流程以及注意事項。

關(guān)鍵詞：FPSO；生活模塊；浮式吊裝；有限元

中圖分類號：U671.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

為了提高船廠的施工效率和建造質(zhì)量，大型船舶與海洋工程船舶的生活樓通常采用模塊化的建造方法，將所有舾裝件和關(guān)聯(lián)設(shè)備盡量在總組階段安裝完畢，這將導(dǎo)致總段模塊越來越重。船廠往往受到船塢周期和船塢大小以及船廠起吊能力等因素的限制，有時需要在碼頭對總段進(jìn)行浮式吊裝。由于生活模塊作為上層建筑不直接參與船體梁總縱強(qiáng)度校核，故其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對較弱，若對生活模塊總段進(jìn)行浮式吊裝，需要通過仿真軟件對吊裝方案進(jìn)行模擬，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。

2 計算實(shí)例

以某FPSO生活模塊總段為研究對象，對其設(shè)計吊裝方案采用MSC.Patran/Nastran軟件建立有限元模型，根據(jù)GL Noble Denton的吊裝流程操作指南相關(guān)要求，對其進(jìn)行吊裝分析。

2.1 FPSO生活區(qū)模塊總段

該FPSO生活模塊總段共4層，長15.3 m、寬37.8 m、高14 m。整個生活區(qū)結(jié)構(gòu)均采用普通船用鋼建造，整個模塊總段重量為593.15 t，包括結(jié)構(gòu)、鐵舾、輪機(jī)、管系、電氣、內(nèi)裝等各分項重量。

2.2 吊裝方案設(shè)計

采用3 200 t浮吊對該生活模塊總段進(jìn)行吊裝，吊架分為左右兩個吊臂，每個吊臂上有兩個主鉤，當(dāng)?shù)醣劢嵌却笥?5o時，起吊重量達(dá)到最大值3 200 t。綜合考慮吊機(jī)起吊能力和起吊范圍，選擇吊臂角度為60o進(jìn)行吊裝作業(yè)。此時，最大起吊重量為2 560 t，舷外最大范圍為48.3 m，前后主鉤之間距離為5.9 m。浮吊吊裝方案見圖1。

連接主鉤的4根鋼絲繩通過吊架轉(zhuǎn)換成12根鋼絲繩連接模塊總段，使模塊總段起吊點(diǎn)附近僅受到垂向起吊力。相應(yīng)的在模塊總段共布置了2組吊點(diǎn)，每組6個吊耳，一共12個吊耳。吊耳布置于距模塊總段中線18 900 mm的左右兩側(cè)的圍壁處，此處側(cè)壁板厚度增加到18 mm，吊耳由30 mm的主板和側(cè)壁相連，并在兩側(cè)布置頰板。吊架和吊耳采用AH36高強(qiáng)度鋼建造，其布置方案見圖2。

2.3 有限元模型

建立生活區(qū)模塊總段的結(jié)構(gòu)有限元模型，模型坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系相同，即采用右手法則：x軸為沿船長方向，指向船首為正；y軸為沿船寬方向，從右舷指向左舷為正；z軸以向上為正。模型原點(diǎn)位于A deck的中線與生活模塊后端壁FR34 + 600的交點(diǎn)。

其中：甲板、艙壁、縱桁及強(qiáng)橫梁的腹板采用板單元；桁材面板、甲板縱骨、艙壁扶強(qiáng)材及吊架等采用梁單元；鋼絲繩采用桿單元；總體網(wǎng)格尺寸為 400 x 400 mm，即每一縱骨間距 2 個單元，吊耳附近區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格尺寸約為30x30 mm。

位于各層甲板的大型設(shè)備采取在一定區(qū)域范圍施加質(zhì)量點(diǎn)的方式模擬，對每一層甲板除結(jié)構(gòu)和大型設(shè)備以外的剩余重量，分別調(diào)整各層甲板及下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料密度，使得整個生活模塊模型的質(zhì)量分布情況盡可能接近于真實(shí)的質(zhì)量分布情況，最終生活模塊總段模型重心如下：

X = 7.439 m

Y = 0.144 m

Z = 11 m

吊裝模型示意圖，見圖3。

2.4 邊界條件及載荷工況

通過桿單元模擬繩索具，一方面可以計算鋼絲繩的拉力，避免鋼絲繩出現(xiàn)過載；另一方面通過計算繩索端部的支反力，可以確保浮吊的單個鉤頭不超過額定載荷。

根據(jù)GL Noble Denton指南的要求，吊裝計算需要考慮動態(tài)放大系數(shù)、不匹配荷載系數(shù)、傾斜系數(shù)、搖擺系數(shù)、重量風(fēng)險系數(shù)和重心偏移系數(shù)，具體載荷系數(shù)見表1[4]。

從表1可以看出，生活區(qū)模塊結(jié)構(gòu)可分為3類：吊耳結(jié)構(gòu)、吊點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)。這3類結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)不同的載荷系數(shù)，其中吊耳結(jié)構(gòu)的載荷系數(shù)最大，吊耳支撐結(jié)構(gòu)的載荷系數(shù)次之，其它結(jié)構(gòu)的載荷系數(shù)較小。

根據(jù)船廠的工藝要求，各層甲板的吊裝變形不得超過6 mm，此吊裝變形為吊裝過程和吊裝前各層甲板變形的相對差值。通常，設(shè)計4種計算工況：工況1僅考慮重力加速度作用時生活模塊各層甲板的變形值；工況2～4分別用于計算校核相應(yīng)的3類結(jié)構(gòu)，慣性力取重力加速度g乘以不同的載荷系數(shù)。具體載荷工況，如表2所列。

計算工況1時，邊界條件為模塊底端位移約束；計算工況2～4時，對于鋼絲繩索末端的4個吊點(diǎn)，約束x、y、z三個方向的線位移；另外在模型底端對角處選取2個節(jié)點(diǎn)作為增加整體模型的約束，一個節(jié)點(diǎn)約束x、y向的線位移，另一個節(jié)點(diǎn)僅約束y向的線位移，這樣做的目的是為了防止計算中出現(xiàn)約束不足等情況。計算結(jié)果表明，兩個約束節(jié)點(diǎn)的支反力非常小，不會影響整體吊裝結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.5 許用衡準(zhǔn)

根據(jù)GL Noble Denton指南對許用應(yīng)力的要求，采用工作應(yīng)力法進(jìn)行吊裝計算設(shè)計[5]，極限狀態(tài)系數(shù)取為0.75。普通鋼（Q235）的許用應(yīng)力為176 MPa，高強(qiáng)鋼（AH36）的許用應(yīng)力為266 MPa。

2.6 計算應(yīng)力及變形匯總

不同工況下各評估區(qū)域的最大應(yīng)力和變形結(jié)果，見表3和表4；吊架強(qiáng)度，選取應(yīng)力最大的梁單元根據(jù)AISC標(biāo)準(zhǔn)校核，校核結(jié)果見表5；作為索具選取的參考依據(jù)，吊鉤端部4個節(jié)點(diǎn)的支反力，見表6；吊梁在LC2工況下的最大相對變形值為28.7 mm。