考虑自由液面修正对水压力分布影响的FPSO总体强度分析

，，，，

(中集海洋工程研究院有限公司研发部，山东 烟台 264003)

考虑自由液面修正对水压力分布影响的FPSO总体强度分析

郭勤静，时磊，傅强，韩荣贵，张国栋

(中集海洋工程研究院有限公司研发部，山东 烟台 264003)

基于ABS的DLA方法，对超大型浮式结构物FPSO船体的特征载荷进行长期预报，获得设计波参数，结合SESAM软件进行总体强度分析及载荷工况分析。对水动力荷载进行自由液面修正，采用WSD方法校核修正前后整船屈服屈曲强度。结果表明对动水压采用自由液面修正以后的水压更为贴合实际情况；总体强度满足ABS、方法要求；修正前后差别较小，水线面附近结构强度需要采用局部压载组合校核。通过总体强度分析可以整体观察船体在波浪载荷作用下的应力变形情况，为船体局部特殊结构疲劳子模型计算提供边界位移，并根据利用率优化结构。

FPSO；动水压；自由液面修正；总体强度分析；利用率

FPSO服务环境复杂，不仅经常受到常见的风浪环境，还常常会在暴风雨等更恶劣的环境下工作。各船级社也相继制定了关于FPSO总体结构设计规范和指南，特别是最近几年，FPSO的设计已经不能简单地依靠传统的船规设计思路，也不能只依靠三舱段分析来代替全船分析，offshore相关规范被引入到设计分析中。如DNV，ABS等船级社在原来船规设计的基础上，参考offshore规范，逐渐加大了对FPSO总体强度分析的关注，DNV船级社2015年底公开的资料《SESAM for FPSO》[1]中介绍了AWSA(advanced whole strength analysis)高级整船强度分析方法，ABS船级社推出FPSO系列软件Seakeeping/ISE/TSA and DLA-SFA FOS等来进行FPSO的动态载荷方法求解，结构设计、总体强度分析、疲劳谱分析等[2]。因此FPSO全船有限元分析计算与送审越来越受到各大船级社的重视，全船结构的总体有限元分析在整个基础设计中变得愈发重要[3-4]。

在FPSO总体强度分析动水压计算时，基于线性的势流理论计算结果仅能够输出水线以下的湿表面网格的静水压力及动水压力。由于FPSO具有较大的水线面积，需要考虑采用自由液面修正动水压力来考虑波面升高对船体压力分布的影响。在这种背景下，对某一FPSO大型浮式结构物基于三维水动力分析，考虑自由液面修正方法对动水压进行修正。通过研究SESAM全船有限元分析计算流程及后处理方法，观察船体结构在整体波浪载荷作用下的应力水平及变形情况，对比修正前后相关数据如动水压力、屈服屈曲强度利用率等，可以根据总体强度结果进行后续特殊结构的疲劳子模型分析计算，同时根据结构强度利用率局部优化结构板厚达到减重目的，通过这样的分析过程得出更准确合理的FPSO总体强度分析计算方法。

1 FPSO水动力分析计算

某FPSO大型浮式结构物主尺度见表1。

表1 FPSO主尺度 m

1.1 装载工况

装载工况考虑FPSO满载工况、60%装载工况、30%装载工况，及空载等4种[5]，见表2。

1.2 特征载荷

该FPSO一般长期固定于工作海域，采用长期预报进行特征载荷的极值预报。采用设计波法计算特征载荷，根据ABS规范FPSO-DLA Guidance[6]选取12组特征载荷，对应各装载工况进行长期响应的极值预报。满载工况特征载荷见表3。

表2 装载工况

表3 特征动载荷-满载

1.3 动水压计算

水动力湿表面面元模型用来计算船体湿表面压力，沿湿表面积分可以得到各种船体相应载荷，包括任意截面的弯矩、剪力等载荷，也可以直接将湿表面的动水压、静水压直接传递到结构模型上。在HydroD中需要定义波浪压力的方向，对于船体外壳，方向由流体指向模型表面。对于被水面分割的单元，Wadam模块将自动以水线面为界分割成上、下2个单元。在进行波浪载荷传递过程中，Wadam模块会将每一个面单元承受的波动压力自动影射到结构有限元网格上，水动力模型中的粗网格面单元压力会自动插值到结构有限元模型的细网格面单元上。

质量模型包括了FPSO船体及上部模块的质量分布信息，和压载舱模型结合后能够反应FPSO的整船的质量分布特征。结构模型用于传递湿表面模型的静水压力及动水压力。为考虑FPSO内液舱的自由面水动力效应对船体波浪载荷及船体的运动、结构强度等产生的影响，采用compartment方式创建压载舱模型。水动力湿表面模型见图1，结构质量模型及压载舱模型见图2。

图1 水动力湿表面模型

图2 水动力结构质量模型

1.4 动水压自由液面修正

基于线性的势流理论计算结果仅能够输出水线以下的湿表面网格的静水压力及动水压力。由于FPSO具有较大的水线面积，需要修正动水压力来考虑波面升高对船体压力分布的影响[7]。特别对于FPSO各工况下水线附近的网格单元的水动压力进行修正。修正方法如下。

(1)

P=ρg(h0-(z-D))

(2)

式中：h0为水线附近网格的静水压头，如图3所示；p0为水线附近网格的水压；z为网格单元的形心相对基线的垂向坐标；D为FPSO的吃水。动水压修正示意于图4。

图3 静水压头的计算示意

图4 动水压修正示意

自由液面修正前后的动水压举例满载工况180°相位见图5。由图5可见，修正后，靠近水线部分外壳的动水压分布符合整个波高范围的波浪运动规律。

图5 动水压修正

2 FPSO总体强度分析

2.1 FPSO整体有限元模型及计算

图6 总体结构模型

采用有限元分析软件SESAM完成全船FPSO建模，利用简化方法，研究总体模型建模方法，创建的有限元分析模型见图6。对总体模型进行空船质量调平及压载工况调平，特别是对于船长方向，重量分布尽可能与实际保持一致。边界条件按照CCS规范规定处理。在船体相应节点施加6个线位移约束，船体艉封板距离中纵剖面相等的左右舷2个节点(一般选择对称的2个强结构交叉点)约束沿垂向线位移，即δz=0；船底板与中纵剖面的艏艉2个交点，船艉交点约束沿横向的线位移，即δy=0，船艏交点约束沿3个方向X,Y,Z的线位移，即δx=δy=δz=0。[8-9]针对不同的工况进行加载计算并完成分析计算。对于4种压载工况，动水压自由液面修正前后的工况，在SESTRA计算模块中计算。最后在XTRACT模块中对所有工况进行搜索，得到所有工况的最大屈服强度值。动水压180°相位屈服强度情况见图7。

2.2 屈服屈曲强度校核准则

根据ABS规范规定，采用WSD(工作应力设计)法进行加载计算，具体校核标准如下[10]。

1)总体屈服强度校核准则。

(3)

式中：(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t为总体单元应力分量；σe为Von-Mises应力；σf为材料许用屈服应力(355 MPa)。

组合工况下安全系数取值1.11，许用屈服应力校核如下。

σe≤σf/1.11=355/1.11=320 MPa。不同工况的安全系数与许用应力值见表4。

表4 安全系数与许用应力

2)总体屈曲强度校核准则。对于以板格为屈曲校核对象时，极限强度状态下是必须要校核的，并且在极限强度满足的情况下，一定的屈曲是允许的。极限强度状态如下。

(4)

式中：σUx、σUy、σUxy分别为板格纵向、横向单轴向力下的极限强度、边缘剪切下的极限强度；φ为强度作用系数；η为最大的许用强度利用系数。本船材料选择NV-36，具体利用率系数及峰值标准见表5。

表5 常规利用率及峰值

3 动水压修正前后结果对比

以满载工况为例，动水压自由液面修正后总体屈服强度动水压对应180°相位结果如图7所示，选择右舷湿水面最大吃水线16.5 m处船舯附近自底向上的局部板格为比较对象，取出板格对应的180°相位的动水压、最大屈服强度、屈曲强度利用率进行对比，具体情况见表6。

由表6可见，船舯船壳位置对应的180°相位动水压自由液面修正以后，由于180°尾浪在船舯位置波峰响应，对于水线以下部分，动水压数值有略微增大，水线以上部分结构会受到波浪压力的冲击，而且在靠近水线上下的位置，动水压力会有较大幅度的突然增加；相应的，屈服强度屈曲强度值也相应增加。

表6 动水压自由液面修正前后对比

注：UF=utilization factor(利用率)。

考虑动水压自由液面修正前后，有的湿水面的动水压也可能会减小，而原来处于水线面以上靠近水线部分，不属于湿水面无加载动水压的结构可能在修正以后会增加动水压载荷。

因此考虑自由液面修正以后，综合所有的工况扫描最大的应力情况，可以看出，对于船体结构强度利用率较高的地方，需要重视动水压自由液面修正对结构带来的强度损坏的可能。同时，对于水线面附近区域的外板结构、板厚的设计需要特别考虑，如内部增加肘板以减小动水压突然增大而带来的影响等。

4 结论

1)对动水压采用自由液面修正以后的水压更为贴合实际工况，分析结果证明在实际工程项目中，有必要进行该因素考虑并进行总体有限元分析。

2)该FPSO全船有限元分析，总体强度满足ABS规范WSD方法要求，符合动水压自由液面修正理论，动水压自由液面修正前后，总体强度结果虽然差别不大，对于处于利用率较高时的设计还是有一定参考作用，而水线面附近结构设计校核优化主要还是需要考虑舷内外局部压载组合情况，自由液面影响较小。

3)FPSO总体结构设计虽然按照极限强度理论设计，本文总体强度分析可以从直观的有限元分析中，观察船体在波浪载荷作用下的应力及变形情况，为典型局部结构疲劳子模型分析计算提供整体边界位移，根据强度利用率局部优化结构板厚，达到船体结构减重的目的。

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

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

[3] 郭勤静,李磊,陈书敏.北海恶劣海况下半潜钻井平台总体屈服及屈曲强度分析[J].船海工程,2015,44(3):105-108.

[4] 胡奇,解德.FPSO结构低周疲劳寿命计算方法研究[J].海洋工程.2014,32(6):24-30.

[5] 中国船级社.船体结构强度直接计算指南[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] 秦键宇.FPSO船体结构强度直接计算研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[9] 郭兴乾.3000米水深钻井船总强度预报[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,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

郭勤静(1982—)，男，硕士，工程师

研究方向：海洋平台总体结构设计与总体强度分析