考慮自由液面修正對水壓力分布影響的FPSO總體強度分析

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(中集海洋工程研究院有限公司研發部，山東 煙臺 264003)

考慮自由液面修正對水壓力分布影響的FPSO總體強度分析

郭勤靜，時磊，傅強，韓榮貴，張國棟

(中集海洋工程研究院有限公司研發部，山東 煙臺 264003)

基于ABS的DLA方法，對超大型浮式結構物FPSO船體的特征載荷進行長期預報，獲得設計波參數，結合SESAM軟件進行總體強度分析及載荷工況分析。對水動力荷載進行自由液面修正，采用WSD方法校核修正前后整船屈服屈曲強度。結果表明對動水壓采用自由液面修正以后的水壓更為貼合實際情況；總體強度滿足ABS、方法要求；修正前后差別較小，水線面附近結構強度需要采用局部壓載組合校核。通過總體強度分析可以整體觀察船體在波浪載荷作用下的應力變形情況，為船體局部特殊結構疲勞子模型計算提供邊界位移，并根據利用率優化結構。

FPSO；動水壓；自由液面修正；總體強度分析；利用率

FPSO服務環境復雜，不僅經常受到常見的風浪環境，還常常會在暴風雨等更惡劣的環境下工作。各船級社也相繼制定了關于FPSO總體結構設計規范和指南，特別是最近幾年，FPSO的設計已經不能簡單地依靠傳統的船規設計思路，也不能只依靠三艙段分析來代替全船分析，offshore相關規范被引入到設計分析中。如DNV，ABS等船級社在原來船規設計的基礎上，參考offshore規范，逐漸加大了對FPSO總體強度分析的關注，DNV船級社2015年底公開的資料《SESAM for FPSO》[1]中介紹了AWSA(advanced whole strength analysis)高級整船強度分析方法，ABS船級社推出FPSO系列軟件Seakeeping/ISE/TSA and DLA-SFA FOS等來進行FPSO的動態載荷方法求解，結構設計、總體強度分析、疲勞譜分析等[2]。因此FPSO全船有限元分析計算與送審越來越受到各大船級社的重視，全船結構的總體有限元分析在整個基礎設計中變得愈發重要[3-4]。

在FPSO總體強度分析動水壓計算時，基于線性的勢流理論計算結果僅能夠輸出水線以下的濕表面網格的靜水壓力及動水壓力。由于FPSO具有較大的水線面積，需要考慮采用自由液面修正動水壓力來考慮波面升高對船體壓力分布的影響。在這種背景下，對某一FPSO大型浮式結構物基于三維水動力分析，考慮自由液面修正方法對動水壓進行修正。通過研究SESAM全船有限元分析計算流程及后處理方法，觀察船體結構在整體波浪載荷作用下的應力水平及變形情況，對比修正前后相關數據如動水壓力、屈服屈曲強度利用率等，可以根據總體強度結果進行后續特殊結構的疲勞子模型分析計算，同時根據結構強度利用率局部優化結構板厚達到減重目的，通過這樣的分析過程得出更準確合理的FPSO總體強度分析計算方法。

1 FPSO水動力分析計算

某FPSO大型浮式結構物主尺度見表1。

表1 FPSO主尺度 m

1.1 裝載工況

裝載工況考慮FPSO滿載工況、60%裝載工況、30%裝載工況，及空載等4種[5]，見表2。

1.2 特征載荷

該FPSO一般長期固定于工作海域，采用長期預報進行特征載荷的極值預報。采用設計波法計算特征載荷，根據ABS規范FPSO-DLA Guidance[6]選取12組特征載荷，對應各裝載工況進行長期響應的極值預報。滿載工況特征載荷見表3。

表2 裝載工況

表3 特征動載荷-滿載

1.3 動水壓計算

水動力濕表面面元模型用來計算船體濕表面壓力，沿濕表面積分可以得到各種船體相應載荷，包括任意截面的彎矩、剪力等載荷，也可以直接將濕表面的動水壓、靜水壓直接傳遞到結構模型上。在HydroD中需要定義波浪壓力的方向，對于船體外殼，方向由流體指向模型表面。對于被水面分割的單元，Wadam模塊將自動以水線面為界分割成上、下2個單元。在進行波浪載荷傳遞過程中，Wadam模塊會將每一個面單元承受的波動壓力自動影射到結構有限元網格上，水動力模型中的粗網格面單元壓力會自動插值到結構有限元模型的細網格面單元上。

質量模型包括了FPSO船體及上部模塊的質量分布信息，和壓載艙模型結合后能夠反應FPSO的整船的質量分布特征。結構模型用于傳遞濕表面模型的靜水壓力及動水壓力。為考慮FPSO內液艙的自由面水動力效應對船體波浪載荷及船體的運動、結構強度等產生的影響，采用compartment方式創建壓載艙模型。水動力濕表面模型見圖1，結構質量模型及壓載艙模型見圖2。

圖1 水動力濕表面模型

圖2 水動力結構質量模型

1.4 動水壓自由液面修正

基于線性的勢流理論計算結果僅能夠輸出水線以下的濕表面網格的靜水壓力及動水壓力。由于FPSO具有較大的水線面積，需要修正動水壓力來考慮波面升高對船體壓力分布的影響[7]。特別對于FPSO各工況下水線附近的網格單元的水動壓力進行修正。修正方法如下。

(1)

P=ρg(h0-(z-D))

(2)

式中：h0為水線附近網格的靜水壓頭，如圖3所示；p0為水線附近網格的水壓；z為網格單元的形心相對基線的垂向坐標；D為FPSO的吃水。動水壓修正示意于圖4。

圖3 靜水壓頭的計算示意

圖4 動水壓修正示意

自由液面修正前后的動水壓舉例滿載工況180°相位見圖5。由圖5可見，修正后，靠近水線部分外殼的動水壓分布符合整個波高范圍的波浪運動規律。

圖5 動水壓修正

2 FPSO總體強度分析

2.1 FPSO整體有限元模型及計算

圖6 總體結構模型

采用有限元分析軟件SESAM完成全船FPSO建模，利用簡化方法，研究總體模型建模方法，創建的有限元分析模型見圖6。對總體模型進行空船質量調平及壓載工況調平，特別是對于船長方向，重量分布盡可能與實際保持一致。邊界條件按照CCS規范規定處理。在船體相應節點施加6個線位移約束，船體艉封板距離中縱剖面相等的左右舷2個節點(一般選擇對稱的2個強結構交叉點)約束沿垂向線位移，即δz=0；船底板與中縱剖面的艏艉2個交點，船艉交點約束沿橫向的線位移，即δy=0，船艏交點約束沿3個方向X,Y,Z的線位移，即δx=δy=δz=0。[8-9]針對不同的工況進行加載計算并完成分析計算。對于4種壓載工況，動水壓自由液面修正前后的工況，在SESTRA計算模塊中計算。最后在XTRACT模塊中對所有工況進行搜索，得到所有工況的最大屈服強度值。動水壓180°相位屈服強度情況見圖7。

2.2 屈服屈曲強度校核準則

根據ABS規范規定，采用WSD(工作應力設計)法進行加載計算，具體校核標準如下[10]。

1)總體屈服強度校核準則。

(3)

式中：(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t為總體單元應力分量；σe為Von-Mises應力；σf為材料許用屈服應力(355 MPa)。

組合工況下安全系數取值1.11，許用屈服應力校核如下。

σe≤σf/1.11=355/1.11=320 MPa。不同工況的安全系數與許用應力值見表4。

表4 安全系數與許用應力

2)總體屈曲強度校核準則。對于以板格為屈曲校核對象時，極限強度狀態下是必須要校核的，并且在極限強度滿足的情況下，一定的屈曲是允許的。極限強度狀態如下。

(4)

式中：σUx、σUy、σUxy分別為板格縱向、橫向單軸向力下的極限強度、邊緣剪切下的極限強度；φ為強度作用系數；η為最大的許用強度利用系數。本船材料選擇NV-36，具體利用率系數及峰值標準見表5。

表5 常規利用率及峰值

3 動水壓修正前后結果對比

以滿載工況為例，動水壓自由液面修正后總體屈服強度動水壓對應180°相位結果如圖7所示，選擇右舷濕水面最大吃水線16.5 m處船舯附近自底向上的局部板格為比較對象，取出板格對應的180°相位的動水壓、最大屈服強度、屈曲強度利用率進行對比，具體情況見表6。

由表6可見，船舯船殼位置對應的180°相位動水壓自由液面修正以后，由于180°尾浪在船舯位置波峰響應，對于水線以下部分，動水壓數值有略微增大，水線以上部分結構會受到波浪壓力的沖擊，而且在靠近水線上下的位置，動水壓力會有較大幅度的突然增加；相應的，屈服強度屈曲強度值也相應增加。

表6 動水壓自由液面修正前后對比

注：UF=utilization factor(利用率)。

考慮動水壓自由液面修正前后，有的濕水面的動水壓也可能會減小，而原來處于水線面以上靠近水線部分，不屬于濕水面無加載動水壓的結構可能在修正以后會增加動水壓載荷。

因此考慮自由液面修正以后，綜合所有的工況掃描最大的應力情況，可以看出，對于船體結構強度利用率較高的地方，需要重視動水壓自由液面修正對結構帶來的強度損壞的可能。同時，對于水線面附近區域的外板結構、板厚的設計需要特別考慮，如內部增加肘板以減小動水壓突然增大而帶來的影響等。

4 結論

1)對動水壓采用自由液面修正以后的水壓更為貼合實際工況，分析結果證明在實際工程項目中，有必要進行該因素考慮并進行總體有限元分析。

2)該FPSO全船有限元分析，總體強度滿足ABS規范WSD方法要求，符合動水壓自由液面修正理論，動水壓自由液面修正前后，總體強度結果雖然差別不大，對于處于利用率較高時的設計還是有一定參考作用，而水線面附近結構設計校核優化主要還是需要考慮舷內外局部壓載組合情況，自由液面影響較小。

3)FPSO總體結構設計雖然按照極限強度理論設計，本文總體強度分析可以從直觀的有限元分析中，觀察船體在波浪載荷作用下的應力及變形情況，為典型局部結構疲勞子模型分析計算提供整體邊界位移，根據強度利用率局部優化結構板厚，達到船體結構減重的目的。

[1] DNV. SESAM for FPSO[S]. DNV,2015.

[2] ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. ABS,2014.

[3] 郭勤靜,李磊,陳書敏.北海惡劣海況下半潛鉆井平臺總體屈服及屈曲強度分析[J].船海工程,2015,44(3):105-108.

[4] 胡奇,解德.FPSO結構低周疲勞壽命計算方法研究[J].海洋工程.2014,32(6):24-30.

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

[6] ABS. GUIDE FOR ‘DYNAMIC LOADING APPROACH’ FOR FPSO INSTALLATIONS[S]. ABS,2010.

[7] ABS. Guidance Notes on SFA for FPSO systems,2002.

[8] 秦鍵宇.FPSO船體結構強度直接計算研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[9] 郭興乾.3000米水深鉆井船總強度預報[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[10] ABS. Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore Structure[S]. ABS,2014.

On FPSO Global Strength Analysis with and without Free Surface Correction of Hydrodynamic Pressure

GUOQin-jing,SHILei,FUQiang,HANRong-gui,ZHANGGuo-dong

(Research & Development Dept., CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264003, China)

Based on the ABS DLA method, the long term loading prediction for an ultra-large FPSO was carried out to get the design wave parameters and characteristic loads, and global strength analysis and load conditions were also researched. According to Free surface correction and WSD method, the hydrodynamic pressure was corrected and global yielding and buckling strength were assessed and compared. The results proved that the hydrodynamic pressure is more realistic after correction. The global strength fulfills the requirement of ABS WSD method. The structure design near the draft water line should be focused on more attention with local analysis method considering the combination of local tank pressure and sea pressure, especially the structure with higher strength utilization ratio, although the difference is slight before and after correction. The simulation results can be used in the fatigue analysis and local hull structure optimization.

FPSO; Hydrodynamic Pressure; Free surface correction; Global Strength Analysis; Utilization Factor

U674.38;U661.43

A

1671-7953(2017)05-0030-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.010

2016-11-01

修回日期：2016-11-22

郭勤靜(1982—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋平臺總體結構設計與總體強度分析