波浪載荷作用下原油轉(zhuǎn)駁船整船強度分析研究

周 宏，蔡 靈,，吳承恩

（1. 江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2. 南通中遠海運船務(wù)工程有限公司，江蘇南通 226005）

0 引言

近年來，油氣資源在世界能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越高的比重，而陸地油氣資源的匱乏也促使人類不斷向深海探索。隨著海上油氣資源生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）的數(shù)量迅速增加，對于卸油設(shè)備的輸送能力也提出了更高的要求。常規(guī)的“FPSO+穿梭油輪”的作業(yè)模式，受限于復(fù)雜的作業(yè)海況，穿梭油輪的運載能力十分有限，運營成本很高，不能滿足日益增長的市場需求[1]。為了打破這種困局，油氣開采企業(yè)開辟出了“FPSO+CTV+普通油輪”的作業(yè)模式，利用CTV（Crude Transfer Vessel，即原油轉(zhuǎn)駁船）良好的適航性，搭建起FPSO 和普通油船之間原油傳輸?shù)臉蛄海蟠筇岣吡嗽偷霓D(zhuǎn)運效率[2]。

作為一種新型船型，原油轉(zhuǎn)駁船工作的海域環(huán)境復(fù)雜，故校驗波浪載荷下整船的極限承載能力是十分必要的。本文結(jié)合某CTV 的船型特點，基于DNV 船規(guī)進行強度校核。主要思路是采用設(shè)計波法，利用sesam 對載荷參數(shù)進行長期預(yù)報得到一系列設(shè)計波，然后利用HydroD 計算一系列設(shè)計波的 波浪載荷并傳遞到結(jié)構(gòu)模型外板上，考慮慣性力對液艙載荷的影響。最后通過結(jié)構(gòu)求解器Sestra 進行靜力計算，進行屈服和屈曲強度校核，評估波浪載荷下整船的強度。

1 模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)模型及質(zhì)量模型

本文采用Sesam/Genie 軟件建立全船結(jié)構(gòu)三維有限元模型，采用實際的縱骨間距建模，筋的尺寸和板的厚度都按照實際板厚，根據(jù)穩(wěn)性計算書的典型工況進行計算。計算設(shè)計載荷和邊界條件以及結(jié)構(gòu)強度評估都參照DNV[4]船規(guī)的規(guī)定。

質(zhì)量模型采用詳細有限元模型，重量較大的設(shè)備采用設(shè)備布置在實際的位置上，尾部裝載系統(tǒng)采用質(zhì)量點來模擬，質(zhì)量點和船體之間采用剛性很大的梁來連接，模擬設(shè)備基座。其他重量采用分組縮放密度的方法來調(diào)整，主要分成了主船體，上建和主甲板3 個分組，調(diào)節(jié)重量重心使重量控制報告的重量和重心一致。

圖1 整體模型圖

圖2 質(zhì)量模型圖

1.2 水動力模型

水動力模型包括板模型，莫里森模型。其中板模型主要用來計算波浪輻射和繞射力，采用的理想流體理論，不考慮粘性力。莫里森模型主要用來計算橫搖阻尼，并加粘性載荷傳遞到結(jié)構(gòu)模型中。

根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù)，CTV 橫搖的臨界阻尼比最大為9%。本文采用莫里森模型來模擬船體舭龍骨的粘性載荷，把水動力計算的粘性力傳遞到結(jié)構(gòu)模型中去。為了不考慮浮力的影響，莫里森單元的直徑取較小，莫里森單元的附加質(zhì)量系數(shù)取0，拖曳力系數(shù)根據(jù)模型試驗RAO 數(shù)據(jù)來調(diào)整，調(diào)整后的拖曳力系數(shù)為950。

圖3 板模型圖

圖4 臨界阻力系數(shù)圖

1.3 邊界條件

參照DNV 規(guī)范[4]，為了限制船體的位移，該處本文采用三點約束。約束情況如下表1 所示。

圖5 邊界條件示意圖

2 計算載荷的施加

2.1 裝載工況

根據(jù)穩(wěn)性計算書，基于船舶裝載手冊，本文選取了4 種計算工況，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 裝載工況表

2.2 波浪載荷

2.2.1 設(shè)計波參數(shù)選取

設(shè)計波指的是在一定回復(fù)周期內(nèi)達到一定設(shè)計載荷下的波浪，該方法基于最大的載荷能引起最大結(jié)構(gòu)響應(yīng)的假設(shè)。本文依據(jù)DNV[4]規(guī)范參考CTV的船型特點，選取了若干主要載荷參數(shù)及其對應(yīng)的設(shè)計波參數(shù)，具體如表3 所示。

2.2.2 環(huán)境條件

參照DNV 規(guī)范[4]，本文該部分計算采用PM 波浪譜，考慮到此船型適用于全球大多數(shù)海區(qū)的海況條件，該處采用DNV 規(guī)定的world wide trade 波浪散布圖。散布圖數(shù)據(jù)如表4 所示。

表3 主要載荷參數(shù)

表4 world wide trade 波浪散布圖

2.2.3 R AO 計算

根據(jù)三維頻域理論，本文基于Wadam 分析模塊計算船體水動力傳遞函數(shù)。波浪周期從3 s 計算到40 s，在峰值區(qū)域周期間隔減小來保證計算精度，得到船體在不同周期規(guī)則波下的運動響應(yīng)。計算水動力載荷RAO 時，由于該處采用半寬模型，故浪向角只計算一半，即從0°到180°每間隔15°的所有浪向下6 自由度幅頻響應(yīng)計算結(jié)果，如表5 所示。

表5 浪向角及波浪方向設(shè)置

經(jīng)過加速度振頻響應(yīng)分析，得到主要載荷最大時對應(yīng)的浪向角，如表6 所示。

表6 主要載荷最大時對應(yīng)的浪向角

通過幅頻響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)CTV 在橫搖狀態(tài)下的橫搖幅值最大，而在迎浪狀態(tài)下的橫搖幅值接近于零，可見橫搖運動是船舶總體性能最重要的性能之一，是衡量船舶耐波性的主要參考依據(jù)。

2.2.4 波浪載荷預(yù)報

波浪載荷的預(yù)報包含長期預(yù)報和短期預(yù)報，本文考慮到CTV 的作業(yè)環(huán)境特點，選取了長期預(yù)報形式。長期預(yù)報指的是指對某一海域內(nèi)一年甚至更長時間內(nèi)的海浪資料進行收集統(tǒng)計。在實際海域內(nèi)航行的船舶的裝載模式以及航速航向和遭遇的海浪條件等在統(tǒng)計時間內(nèi)都不是一成不變的，對于該統(tǒng)計時間內(nèi)的船舶狀態(tài)已不再屬于平穩(wěn)狀態(tài)。長期預(yù)報可以簡化為由一系列短期預(yù)報的組合而成，將短期預(yù)報的概率密度函數(shù)與每個海浪短期內(nèi)出現(xiàn)的概率加權(quán)計算后即可得出長期的概率密度。長期波浪誘導(dǎo)運動和載荷可看作是很多短期Rayleigh 分布的總和，而對短期Rayleigh 分布取決于唯一參數(shù)。因此如果知道的長期概率密度函數(shù)，就可以預(yù)報船體運動和載荷的長期值[3]。目前，可以采用正態(tài)分布和Weibull 分布來擬合船體運動和載荷的長期響應(yīng)分布：

式中：為尺度參數(shù)；m 為斜度參數(shù)；當(dāng)響應(yīng)值為x 時，超越概率為：

本文依據(jù)DNV 的相關(guān)規(guī)范[4]，取（10?8）概率的長期預(yù)報極值進行極限強度分析。

2.2.5 等效設(shè)計波的選取及載荷傳遞

基于上述步驟所選取的計算剖面及頻幅響應(yīng)的結(jié)果，得到了四大裝載工況下的設(shè)計波的參數(shù)，其中OP100.S3 裝載工況的設(shè)計波參數(shù)如下表7 所示。

表7 O P100.S3 裝載工況下的設(shè)計波參數(shù)

表7 O P100.S3 裝載工況下的設(shè)計波參數(shù)（續(xù)）

其余3 種裝載工況下，也能得到如表7 所示的等效設(shè)計波參數(shù)。隨后將水動力計算的波浪載荷通過軟件的載荷傳遞功能傳遞到結(jié)構(gòu)上進行及計算，載荷的種類包括結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)單元的慣性載荷、外部水動壓力、液艙和壓載水內(nèi)部的壓力載荷以及粘性載荷。

3 強度校核

3.1 屈服強度評估

屈服強度評判主要基于整體強度分析得到的名義軸向應(yīng)力，名義剪切應(yīng)力和名義合成應(yīng)力[5]。整體有限元模型應(yīng)力一般都取板中面應(yīng)力。在高應(yīng)力集中區(qū)域，名義應(yīng)力許用準(zhǔn)則不適用。合成應(yīng)力計算基于名義膜應(yīng)力和剪切應(yīng)力。合成應(yīng)力采用中面應(yīng)力表達式如下：

根據(jù)DNV 的相關(guān)規(guī)范[4]，許用等效合成應(yīng)力為σe=0.95σf，當(dāng)最小屈服強度為355 MPa 時，許用合成應(yīng)力為：σe=0.95，σf=0.95×355=319.5 N/mm2。通過xtract 的后處理模塊，將所有工況的最大合力掃描到一個工況中，可以顯示出結(jié)構(gòu)中最大合成應(yīng)力超過許用應(yīng)力的部分，主要是：

1）橫向結(jié)構(gòu)及主甲板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在艉裝載基座和橫向構(gòu)件相連的地方，分析原因后考慮是由于艉裝載系統(tǒng)采用質(zhì)量點模擬，質(zhì)量和船體之間采用梁單元連接，在梁單元和船體接觸的地方會產(chǎn)生應(yīng)力集中，此部分的強度在局部強度的校核中還要單獨計算。

2）底板在尾部邊界條件的地方產(chǎn)生了最大應(yīng)力，這部分應(yīng)力是由于支反力不平衡引起的，目前通過軟件處理沒有辦法保證絕對的載荷的平衡，可采用慣量釋放的方法來消除局部支反力不平衡引起的應(yīng)力集中的方式來尋求改進。

圖6 整體應(yīng)力合成圖1

圖7 整體應(yīng)力合成圖2

3.2 屈曲強度評估

板、筋、桁材以及肋板都按照DNV 的相關(guān)屈曲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的進行屈曲校核，所含的屈曲失效標(biāo)準(zhǔn)主要包括板屈曲、局部筋和桁材腹板的局部屈曲、扭轉(zhuǎn)torsional/sideway 屈曲以及筋和桁材的整體屈曲、失效模式邊界條件效應(yīng)以及板和筋桁材的旋轉(zhuǎn)約束的耦合以及由于自由變邊緣加了筋可以不考慮自由邊屈曲。

對于結(jié)構(gòu)的屈曲分析，本文主要采用了2 種方法。

方法一：極限能力

加筋板的設(shè)計滿足極限條件，故可以接受筋之間板的彈性屈曲失效模式以及考慮板、筋和桁材的載荷分布。

方法二：屈曲能力

加筋板設(shè)計滿足屈曲強度條件，這就意味著板和筋的彈性屈曲失效不可接受，因此不考慮屈曲的載荷重新分布。

考慮到2 種方法不同的失效形式，本文給出了其對應(yīng)的適用范圍，如表8 所示。

根據(jù)DNV[4]船規(guī)對于船體各個部分進行屈曲強度評估，考慮腐蝕引起的板厚的折減，對不同構(gòu)件采用相對應(yīng)的屈曲分析方法，利用軟件輸出結(jié)果，得出了以下結(jié)論：

表8 屈曲校核方法

1）由于模擬方法的缺陷，在艉裝載設(shè)備基座附近產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，這部分結(jié)構(gòu)的強度需要在局部強度的計算中重新校核；

2）就全船的應(yīng)力分布情況來看，除了部分開口角隅處出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況，其他結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都處于比較低的水平，這也側(cè)面反映了該船型的整體強度不存在大的問題，局部應(yīng)力集中的情況可以參照規(guī)范采用局部加厚或者結(jié)構(gòu)改變的方式解決。

圖8 腐蝕余量扣除量模型示意圖

圖9 屈曲校核結(jié)果（橫向構(gòu)件）

圖10 屈曲校核結(jié)果（主甲板）

4 結(jié)論

本文利用SESAM 軟件對該型船的結(jié)構(gòu)及水動力模型進行了建立，對CTV 進行了頻域水動力分析，得到了各個主要載荷參數(shù)的幅頻響應(yīng)函數(shù)，并使用設(shè)計波方法對CTV 進行了主要載荷參數(shù)的長期預(yù)報。隨后通過軟件的載荷傳遞功能，將水動力載荷傳遞到結(jié)構(gòu)模型上，采用結(jié)構(gòu)求解器進行應(yīng)力分析，得到各個裝載工況整船的應(yīng)力分布情況。最后依據(jù)規(guī)范對該模型的整體強度進行屈服和屈曲強度的校核，得到此類船型的應(yīng)力分布特點。但整體建模過程中還存在個別連接形式、邊界條件的創(chuàng)建與實船的情況不符的情況，導(dǎo)致了局部的應(yīng)力集中，還需要對出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方進行局部強度校核。后續(xù)工作中還需要對模型進行優(yōu)化，提高模型模擬的準(zhǔn)確性，希望上述校核思路能為后續(xù)該型船整船強度校核方法的研究工作提供參考。