基于LRFD方法的海洋結構物局部強度分析

李寶功，殷星杰，趙 勇，趙彤暉

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

在船舶和海洋平臺等大型海洋工程結構中，往往存在很多重型設備；同時，在一些特殊船型中，由于設計需要，存在很多異形結構。因此，在對船舶和海洋結構物進行結構設計分析時，除了對全船進行有限元分析以外，還需針對不同的設計要求進行局部強度校核分析，比如重型設備的基座、異形結構的特殊設計和局部結構形式的優(yōu)化減重等，二者共同保證結構設計的合理性和有效性。

本文根據(jù)實際項目實施經驗，總結在海洋結構物承受眾多不同類型載荷的情況下，采用載荷阻力系數(shù)設計（Load and Resistance Factor Design，LRFD）方法對其中的局部結構進行強度分析的過程。

1 LRFD方法簡述

自20 世紀70 年代起，各國陸續(xù)開始對LRFD 方法進行研究，其中：挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）于1977 年制定了基于LRFD方法的海洋平臺設計規(guī)范，于1995 年推出了基于該方法的導管架平臺極限強度和可靠性分析指南，隨后又陸續(xù)推出了基于該方法的近海鋼結構設計通用規(guī)范，以及相對細化的柱穩(wěn)式平臺、自升式平臺和張力腿平臺設計規(guī)范；美國石油學會（American Petroleum Institute，API）制定了針對固定式平臺的LRFD方法指導規(guī)范API RP 2A LRFD。LRFD 方法以結構可靠性理論為基礎，其基本思想是：首先，以概率統(tǒng)計的方式分析各種因素使材料破壞的概率；其次，根據(jù)分析結果使對應載荷放大不同的倍數(shù)，并將其應用到對應要求的結構極限狀態(tài)中，使其成為結構的實際工作應力；最后，比較材料強度與實際工作應力的大小，使材料強度大于實際工作應力與應力放大系數(shù)的乘積。

結構的極限狀態(tài)是指整體結構或部分結構超過規(guī)定設計要求的條件，分為承載力極限狀態(tài)（Ultimate Limit States，ULS）、偶然極限狀態(tài)（Accidental Limit States，ALS）、疲勞極限狀態(tài)（Fatigue Limit States，F(xiàn)LS）和工作極限狀態(tài)（Serviceability Limit States，SLS）等4 種。每種極限狀態(tài)都對應特定的載荷和載荷系數(shù)，設計結構的強度校核由此而來。由于充分考慮到了環(huán)境荷載的影響，LRFD方法具有較強的地域性。例如，API RP 2A LRFD是基于墨西哥灣的海洋環(huán)境條件數(shù)據(jù)和海上平臺設計實踐確定的，DNV GL Offshore規(guī)范是基于挪威北海海域的工作條件確定的，這些規(guī)范對這2 個海域的載荷阻力系數(shù)有明確的標定。對于其他海域，由于海洋環(huán)境條件數(shù)據(jù)不同，沿用這些規(guī)范中的載荷系數(shù)進行結構設計不一定準確，必須根據(jù)所在海域的特點對載荷系數(shù)進行標定，采用新的載荷系數(shù)進行分析。下面以某深水半潛式海洋平臺中的推進器基座有限元分析過程為例，詳述基于LRFD方法的結構設計分析過程。由于該平臺是以挪威北海海域工作條件為背景設計的，因此采用DNV相關規(guī)范中的載荷阻力系數(shù)和評估標準是合理的。

2 LRFD方法設計實例

2.1 實例概述

該深水半潛式海洋平臺采用A5000 船型，以雙浮筒、四立柱和箱型結構為主體，適宜在全球范圍內水深不超過1 500 m的海域作業(yè)，入級中國船級社（China Classification Society，CCS）和DNV，已于2018 年交付使用。本文校核的舵機基座位于該平臺右舷浮箱中部，見圖1。計算采用的有限元模型在垂向和船寬方向涵蓋了浮筒的整個截面，在船長方向，分別向艏、艉各取2 個強框的長度（具體見圖1 中的陰影區(qū)域），以便全面分析相鄰液艙的不同裝載工況對該區(qū)域結構強度的影響。

圖1 深水半潛式海洋平臺浮筒區(qū)艙室布置圖

計算模型的邊界條件是在浮筒端部橫梁處取為簡支，見圖2 中的錐形圖標。由于縱骨17 號肋位處水密艙壁兩側均設有端部肘板，在艙壁處不會發(fā)生角變形，故此處的邊界條件取為固支，見圖2 中的方塊圖標。

圖2 推進器基座區(qū)域結構有限元模型和邊界條件

2.2 載荷和載荷組合

在DNV海洋結構物設計規(guī)范中，通常將作用在海洋結構物上的載荷分為永久載荷、可變載荷、環(huán)境載荷、偶然載荷和變形載荷等5 種，不同類型載荷對應不同的載荷系數(shù)。表1 為該舵機基座區(qū)域結構承受的載荷和對應的載荷種類定義。

表1 舵機基座區(qū)域結構承受的載荷和對應的載荷種類定義

在分析中，、、、、、和在不同極限狀態(tài)下對應不同的定義和數(shù)值，具體應按規(guī)范DNV GL-RP-C103第3 節(jié)中的公式和相關要求計算。在計算ULS時，分別計算鹽水艙處于空艙和滿載狀態(tài)時的情況，靜水壓力和動壓力均取平臺自存狀態(tài)下的數(shù)值；在計算ALS 時，假定該平臺發(fā)生最大17°橫傾完全是由舵機室進水造成的，此時舵機基座承受艙室破損進水之后的水壓壓頭；在計算FLS 時，計算應力為舵機載荷與海水動壓力的組合狀態(tài)，選取操作條件下的載荷值。推進器工作載荷在水平方向的扭矩在360°范圍內，按每30°為1 個計算工況，分別與上述載荷疊加。根據(jù)規(guī)范DNV GL-OS-C101中第2 節(jié)B部分對不同極限狀態(tài)下的載荷系數(shù)的要求，分別對上述載荷選取相應的載荷系數(shù)，即可得到最終結構分析需要的工況和載荷組合。表2 和表3 分別為計算ULS-a、ULS-b、ALS和FLS時的載荷系數(shù)。

表2 計算ULS時壓載水艙和鹽水艙的載荷系數(shù)

表3 計算ALS和FLS時的載荷系數(shù)

續(xù)表2

2.3 結果分析

計算結果表明，無論是在ULS計算中，還是在ALS計算中，基座處結構的最大合成應力值和剪應力值均遠小于相應的許用應力值，僅在局部區(qū)域超出了臨界值。這是因為該部分構件使用了梁單元，而在有限元模型中未對此處節(jié)點進行細節(jié)處理，導致出現(xiàn)應力集中的結果，由于其與計算結果相差較大，不會影響基座的校核結果，故在模型中未對其作進一步細化。屈曲結果根據(jù)規(guī)范DNV GL-RP-C201和DNV GL-RPC202中的相關要求校核，其中：船長方向的正應力σ和剪應力τ取全船有限元計算所得最大壓力值；船寬方向的正應力σ是從計算模型中得出的局部最大壓力值。計算結果表明，最大屈曲使用系數(shù)出現(xiàn)在ALS工況下的中間強框處，最大屈曲使用系數(shù)為0.97，滿足設計需求。

對于疲勞分析，采用規(guī)范DNV GL-RP-C-203中的簡化分析方法選擇相應的S-N曲線，根據(jù)FLS工況下的有限元計算結果獲得應力值。最終求得疲勞最小值出現(xiàn)在強框面板拐點處，此處應力值的絕對值為54 MPa，疲勞壽命為40.4 a，滿足設計要求。

3 結 語

采用LFRD方法對海洋結構物進行局部強度分析，原理易懂，計算過程簡潔明確，即：選取合適的有限元計算模型；分析結構所受載荷并劃分載荷種類；根據(jù)相應規(guī)范計算不同種類載荷的載荷系數(shù)；確定載荷組合并加載分析不同極限狀態(tài)下的應力水平。本文所述案例中，在平臺詳細設計階段，幾乎所有涉及局部強度分析的結構的應用梁單元和有限元建模分析都根據(jù)LRFD方法進行，得到了DNV審圖專家的指導和認可。隨著更多海域的載荷系數(shù)的標定，未來該方法在海洋結構物局部強度分析領域會得到更廣泛的應用。