圆筒型FPSO阻尼板结构强度计算方法研究

周书敏 杨 玥 王 璞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

浮式生产储油装置（Floating Production ，Storage and Offloading， FPSO），作为一种兼有原油处理、储存和卸油功能的浮式油气生产设施，广泛应用于深海油田的生产开发中。目前工程中应用较为广泛的有船型FPSO与圆筒型FPSO。相比于船型FPSO，圆筒型FPSO具有以下优势：浮体各向同性，无风标效应，可节省单点系统布置空间与设备费用；甲板面积较大且浮体总纵变形较小，利于上部模块布置与结构设计等。

前期研究表明：圆筒型FPSO运动性能优于船型FPSO，但由于圆筒型FPSO的水线面面积较大，在波浪中垂荡性能较差，影响生产作业的效率与安全性。目前主要采用设置阻尼板的方法来改善其运动性能。阻尼板通常为与柱型筒体相连的悬臂梁式箱型结构。阻尼板的设置可增加整体排水体积，底部新增的压载水舱可有效降低整体垂向重心分布，提高整体稳性；增加整体的附连水质量与黏性阻尼，有效降低垂荡及横摇运动。阻尼板作为悬伸结构，在减小垂荡运动的同时也承受较大的波浪载荷，因此阻尼板及其与筒体连接处的结构设计与强度校核是圆筒型FPSO结构设计的关键。

图1 圆筒型FPSO示意图

1 概 述

对于阻尼板结构设计而言，通过构件规范计算确定其初步结构尺寸后，还需根据阻尼板在实际环境中可能遭遇的最大外界载荷进行强度校核。本文以某型圆筒型FPSO的阻尼板结构为目标，从目标设计载荷的选取，黏性阻尼的加载以及子模型法的应用，对阻尼板结构的强度计算方法进行探讨。

本文中圆筒型FPSO主要参数见表1。

表1 圆筒型FPSO主要参数m

2 Morison模型

圆筒型FPSO的垂荡性能主要受两方面因素影响：结构物垂荡运动自身的固有周期和垂荡运动过程中的水动力阻尼，结构物垂荡的固有周期不仅由结构物自身的质量分布决定，也受到垂荡运动中的附加质量影响。

结构物垂荡运动的水动力阻尼主要由波浪辐射阻尼（又称势流阻尼）与黏性阻尼组成。

势流阻尼是浮体振荡在自由水面产生波浪而耗散能量产生的阻尼。黏性阻尼则是因为海水具有黏性而引起。传统势流理论对于势流阻尼的研究和预报已相对成熟，而黏性阻尼对海洋结构物的流场作用机理尚未十分明确。

是否考虑黏性作用的影响，对于圆筒型FPSO垂荡响应幅值的差异极为明显。阻尼板作为有效增加圆筒型FPSO运动阻尼的结构装置，如何准确模拟阻尼板的黏性阻尼作用极为关键。本文采用Morison法来模拟阻尼板的黏性阻尼载荷。

根据Morison公式：

式中：

C

为惯性力系数，确定惯性力的大小；

C

=

C

+1，

C

为附加质量系数；

C

为拖曳力系数，确定拖曳力的大小。

本文采用DNVGL SESAM软件来完成相应的结构强度分析。阻尼板的黏性阻尼模型见图2。

图2 黏性阻尼模型

3 目标载荷

随着数值计算技术的发展，设计波法已广泛应用于海洋工程的载荷预报。不同于船型FPSO以不同装载工况下的最大弯矩和剪力的载荷形式作为设计校核指标，针对圆筒型FPSO外型的特殊性，圆筒型结构的中心对称性使得总纵弯矩与剖面剪力不再是结构设计的主控载荷。相对于环境载荷而言，构件的压力载荷成为设计中的关键。

对于阻尼板结构，在构件的规范计算中，计算压头为其决定性因素。因此，以构件的最大压头作为设计波载荷。在以外板构件为设计校核目标时，选取最大外部水压，即外板处最大波高作为设计波。而对于阻尼板内部构件的结构设计，则需考虑其所处液舱内的液面载荷作用，故选取液舱内的最大液货加速度作为设计波载荷。

在模型计算分析中，采用Morison单元来模拟阻尼板的黏性阻尼。根据Morison公式可知，黏性阻尼与速度相关。对于阻尼板的垂荡运动而言，其黏性阻尼与其垂向速度相关，故选取阻尼板外侧处的垂向速度作为设计波载荷；另一方面，对于阻尼板的势流阻尼而言，通过阻尼板外侧板高度方向的压力差可用来表征势流阻尼的作用。

结合阻尼板所在位置的特殊性，本文从以下4个方面作为设计波的选取原则，参见图3。

图3 设计波选取原则

4 计算模型

对于圆筒型FPSO的各种装载工况（生存工况满载/压载/半满载，工作工况满载/压载/半满载），在目标载荷的作用下，采用总强度模型（即整个圆筒模型，参见下页图4）进行强度分析，找出阻尼板处应力水平最高的装载工况。

图4 整体模型

对于本文中的圆筒型FPSO而言，总强度模型中为大尺度网格，无法表达阻尼板处的结构细节以及真实合理的应力分布，因此采用子模型法（约1/4骨材间距）对阻尼板的结构进行细化分析。

圆筒型FPSO的阻尼板结构因锚泊系统的布置的存在被分割成3个部分，且阻尼板内部有液舱布置，在子模型的范围选取时需综合考虑阻尼板开口处角隅结构的表达、液舱内舱室液货压力的加载、阻尼板自身结构与主筒体结构间的过渡结构，因此阻尼板的局部模型范围较常规考虑某一节点细节的子模型范围较大。

图5 阻尼板处局部模型

5 强度分析与探讨

综合上述各载荷工况及模型处理，对阻尼板处结构进行计算分析，以Von Mises 应力为基础，根据DNVGL-OS-C101的规范要求为应力衡准，各计算工况下最大应力结果汇总于表2。

表2 阻尼板结构最大应力结果汇总

从计算结果可见，各区域结构的最大应力结果均出现在以阻尼板黏性阻尼与势流阻尼为目标载荷的载荷工况中。阻尼板相关结构的最大应力结果出现在阻尼板斜板顶端对应的水平桁上，即阻尼板与筒体的连接过渡区域处。当阻尼板自身的结构刚度较大时，其自身的应力水平在规范许用的范围之内，阻尼板与主筒体的连接过渡结构较为危险。由此可见，阻尼板与筒体的过渡区域结构在设计时除应考虑外部水压与液货压力的载荷工况外，还应考虑以阻尼板黏性阻尼与势流阻尼为目标载荷的工况载荷。

此外，阻尼板斜板上端部结构的应力水平明显高于下端部结构的应力水平。在本文所考察的圆筒型FPSO阻尼板结构中，斜板与筒体外板和水平板的过渡角均为45°，参见图6～10。根据应力分布结果，仅从结构强度出发，在后续的阻尼板斜板优化设计时，可考虑增大阻尼板与筒体的过渡角，减少阻尼板上方结构因结构突变引起的应力集中程度。

图6 主筒体结构应力分布

图7 阻尼板斜板顶端区域结构应力分布

图8 阻尼板斜板底端区域结构应力分布

图9 阻尼板内部框架结构应力分布

图10 阻尼板斜板顶端水平桁结构应力分布

6 结 语

本文通过Morison法模拟圆筒型FPSO阻尼板处的黏性阻尼载荷。以阻尼板处最大压力及最大阻尼力作为目标设计载荷，采用子模型法校核其结构强度；以总强度分析得到的变形及作为子模型边界条件，对阻尼板及其与筒体连接区域结构强度进行校核。由计算结果分析可知：对于阻尼板及其与筒体连接区域结构进行结构强度分析时，以阻尼板黏性阻尼与势流阻尼为目标载荷的载荷工况为其主控工况；在对阻尼板斜板进行设计时，可通过调整斜板过渡角度来合理分配阻尼板斜板上下端部区域的应力分布，进而优化阻尼板结构设计。

考虑到本文的研究工作有一定的局限性，后续对于阻尼板结构强度的研究可从以下两方面继续深入：

（1）在模拟阻尼板黏性阻尼影响时，对于黏性阻尼模型中的附加质量力系数与拖曳力系数，若有相应的试验运动数据，结合试验运动数据进行修正更佳；

（2）在设计波法中，除本文所列的目标载荷外，也可选取其他能造成较大结构响应的载荷控制参数进行研究。