FPSO救生艇甲板结构有限元分析

梁炳钱 李军

摘 要：本文介绍了ABS规范对FPSO救生艇甲板的设计载荷及设计工况的要求，并结合有限元分析，对救生艇甲板结构强度进行校核。

关键词：FPSO；救生艇甲板；有限元分析

Structural Analysis of the FPSO Lifeboat Platform

LIANG Bingqian， LI Jun

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper describes the requirements of design loads and load cases of FPSO lifeboat platform according to the rules of ABS， and then analyzes the structural strength with finite element method.

Key words： FPSO； Lifeboat platform； Finite element method analysis

1 概述

随着海洋平台向更深的海域发展，海洋结构物对结构的安全性和可靠性要求越来越高，且对保护工作人员生命安全的设备设施要求更为严格。因此，平台或船舶救生艇甲板的结构设计显得尤为重要。艇甲板结构除了受到设备载荷及甲板水压力外，还有环境载荷等。尤其是救生艇甲板上的各种设备载荷和环境载荷，对平台甲板结构的布置及设计有着直接的影响，本文根据现行规范[1][2][3]的要求，对“伊利亚贝拉”FPSO的救生艇甲板结构强度进行有限元分析及校核。

2 FPSO救生艇甲板结构基本情况及有限元模型

2.1 基本情况

本文分析的救生艇甲板为“伊利亚贝拉”FPSO的上建部分，钢质焊接结构。救生艇甲板上有4艘重力倒臂式救生艇，分别布置于艇甲板的左右舷；1艘快速救助艇，布置于左舷的尾端。此外，还有两个潜水站，布置在右舷的尾端，结构布置见图1。单个救生艇重14.00 t（含艇架），救助艇重4.69t（含艇架），单个潜水站重8.00 t，以上各设备重量均为人员满载工况。艇甲板结构由强横梁与甲板纵桁形成强框架，且尽量在满足整体结构受力均匀性基础上，布置强构件于在救生艇、救助艇等设备基座处，以减少额外的加强构件。

救生艇甲板主要参数：

甲板宽 54.25m

甲板高（距下一层甲板） ～7.00m

救生艇数 4艘

救助艇数 1艘

潜水站数 2个

单个救生艇容纳人数 60人

救助艇容纳人数 6人

2.2 有限元模型

2.2.1 模型

根据规范要求，本文以救生艇甲板及其下部支撑结构作为分析对象，进行有限元计算，对救生艇甲板结构强度进行校核。

有限元计算采用大型通用有限元分析软件MSC.PATRAN进行。船长方向为X轴，正方向由船尾指向船首；船宽方向为Y轴，正方向由船中指向左舷；型深方向为Z轴，正方向由船底指向甲板；模型范围纵向为Fr12～Fr54，横向取整个艇甲板宽度，垂向范围自下一层甲板至艇甲板，包括艇甲板下的围壁结构。

图1 艇甲板结构布置示意图

2.2.2 单元

该艇甲板的有限元模型网格沿X轴取1/4肋距长度，沿Y轴取1/4纵骨间距，沿Z轴取1/4纵骨间距。甲板板、舱壁板、舷侧外板、强横梁及纵桁等强构件的腹板均采用板单元模拟，面板、横梁、纵骨及舱壁扶强材等弱构件用梁单元模拟，并考虑偏心。救生艇甲板的三维有限元模型如图2所示。

图2 救生艇甲板结构有限元模型

2.2.3 材料

本救生艇甲板结构材料采用普通碳素钢，屈服强度为 f y =235 MPa。

2.2.4 边界条件

救生艇甲板与生活楼连接处以及舷侧板、下围壁底部与下一层甲板连接处为刚性固定，施加刚性固定约束，即UX=UY=UZ=0，RX=RY=RZ=0，如图3所示。

图3 艇甲板结构的边界条件

2.3 载荷及工况

2.3.1 结构及设备自重

艇甲板结构自重通过施加惯性加速度的方法实现，加速度取为9810mm/s2。救生艇、救助艇及潜水站分别用质量单元模拟，质量点位于其重心处，并通过MPC与艇甲板结构设备基座加强构件连接。

2.3.2 甲板压头

按照规范要求，施加在救生艇甲板上的水压头为1.68 m，即0.0168 N/mm2。

2.3.3 环境载荷

环境载荷是由船舶运动产生，通过惯性加速度施加。根据规范要求，分为两种情况：一种是百年一遇海况，其惯性加速度为：A= [aXA，aYA，aZA] = [740，5640，4120] mm/s2；另外一种是每年一遇海况，其惯性加速度为：B= [aXB，aYB，aZB] = [770，4560，2490] mm/s2。（注：由于救生艇甲板每年一遇海况B环境载荷是参照了直升机平台的环境载荷，所以环境载荷B中 要比A中 要大，此取值偏于安全）。

2.3.4 横倾与纵倾

考虑救生艇的使用情况，根据规范的要求，需要考虑船舶在环境载荷（B）下，横倾20°及纵倾10°两种计算工况。

2.3.5 管系载荷

管系载荷是指救生艇甲板下悬挂的管系，由于船舶的运动产生的惯性载荷（已考虑管内液体晃荡），管系载荷先传递到管支架上，然后传递到连接在甲板的支撑点上。

2.3.6 计算工况

载荷组合工况，如表1所列。

表1 载荷组合工况

注：（1） 表中LC*（A）表示环境载荷为A，LC*（B）表示环境载荷为B。

3 计算结果及分析

3.1 强度衡准

按照规范要求，在环境载荷（A）下各工况板单元的许用应力为0.9 fy =211.5 N/mm2，板单元许用剪切应力为0.53 fy =124.6 N/mm2，梁单元轴向许用应力为0.8 fy=188.0 N/mm2；在环境载荷（B）下各工况板单元的许用应力为0.7 fy=164.5 N/mm2，板单元许用剪切应力为0.4 fy=94.0 N/mm2，梁单元轴向许用应力为0.6 fy=141.0 N/mm2。

3.2 各个工况计算应力汇总

按照表1所列工况进行计算，对各工况的计算结果进行汇总，具体见表2。

表2 各工况计算结果汇总

由表2可知，板单元相当应力均小于164.5 N/mm2，板的剪切应力均小于94.0 N/mm2，梁单元轴向应力均小于141.0 N/mm2，故本救生艇甲板各项应力满足规范要求。

最大板单元应力云图如图4所示，最大剪切应力云图如图5所示。

图4 艇甲板结构最大板单元应力云图

图5 艇甲板结构最大板单元剪切应力云图

4 结论

通过计算结果，可知本救生艇甲板结构强度满足规范要求。

此外，该救生艇甲板在横倾状态时，其应力最大，究其原因主要是救生艇等设备均为悬吊状态，重心较高，在横倾状态下再加上环境载荷的作用，在基座处产生的弯矩也最大，故应力也最大。

按规范要求，FPSO等海工结构物上艇甲板结构的设计载荷较复杂，设计工况较多，本文采用有限元直接计算方法，对艇甲板结构进行计算分析，对其结构强度进行校核，本文也为以后的海洋结构物艇甲板结构设计提供了一定的参考。

参考文献

[1] Abs， Rules For Building And Classing Steel Vessels， Part 3， 2012

[2] Abs， Rules For Building And Classing Mobile Offshore Drilling Units， Part 3，

2012

[3] Abs， Guide For Building And Classing Floating Production Installations， Part

5A， 2012