总纵弯曲对设备基座结构影响及解决方法

王 培，蒋振亚，王 婕

(1.北京数码易知科技发展责任有限公司，北京 100007；2.南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226001)

0 引言

浮式生产储油装置(Floating，Production，Storage and Offloading，FPSO)因拥有巨大的油料货舱而具有良好的储油能力(一般常规运货轮的方形系数约为0.8，而FPSO的方形系数大于0.9)，满载时其货油重量约占全船重量的3/4～4/5，且大部分重量作用在船中，所以FPSO受到的总纵弯曲影响远大于一般常规货轮。当FPSO主甲板抵抗总纵弯曲时，主甲板上布置的大量配套设备基座结构将会一同参与到受力当中，从而不可避免地会遭受到结构性损伤。

为此，本文提出了一种创新型“隔断式”基座设计方法，并使用MSC.PATRAN&NASTRAN软件将其与常规基座设计方法进行数值仿真比较，以验证该设计方法的可靠性。

1 有限元模型

本文将以某型FPSO的局部分段为研究对象，依据法国船级社(BV)相关标准进行研究对比。分段相关参数见表1，设备相关信息见表2。

表1 分段参数

表2 设备信息

本文将采用有限元方法，利用MSC.PATRAN建立分段及设备基座模型进行对比研究，具体模型见图1。分段模型依据笛卡尔坐标系，原点定为Fr161与中纵剖面和基线相交点；原点沿船长方向为方向，以艏部为正；原点沿船宽方向为方向，以左舷为正；原点沿垂向为方向，以竖直向上为正。本模型网格大小根据研究目标及实际因素考虑，采用逐层过渡至设备基座及坐落区，目标网格最终取50 mm×50 mm。

图1 某型FPSO分段模型

本文研究的某型FPSO，其钢材特性详见表3。设备基座结构及坐落甲板区域涉及钢材种类均为AH32级钢，其最小屈服应力为315 MPa。

表3 钢材特性

本次计算将分别在Fr161、Fr246肋位确定剖面中性轴位置，建立多点约束(MPC)点对两段剖面进行约束，并于两端面的MPC点上分别施加对应总纵弯矩，具体约束见表4。

表4 边界条件

2 隔断式基座设计思路

设计设备基座结构时，一般根据其轮廓及墩放点位置，在该设备下方设立腹板及面板组成T型材或L型材进行支撑，同时配以肘板进行结构加强，见图2，图中箭头表示结构连续。

图2 常规基座示意图

FPSO作为特殊海洋结构物，其主甲板上布置大量专用设备，其中部分特殊设备投影面积大，固定连接点多，对应基座加强不可避免地增加了结构跨度尺寸。FPSO受总纵弯曲影响较一般船型明显，因此大跨度的基座结构会参与到总纵弯曲的影响中，从而导致基座结构遭受损伤。其结构仿真计算结果远大于许用标准，而增加基座结构的板厚、肘板数量等常见加强方式无法起到明显作用(在某项实际案例中，甚至出现了5 t以下设备，采用18 mm板厚都无法满足结构强度要求的情况)。

针对上述情况，从载荷传递方式的角度出发，本文将采用隔断式基座设计来减小总纵弯曲对基座造成的影响，见图3。该设计采用减少腹板、肘板与主甲板之间的接触来切断总纵弯曲的传递路径，同时该基座上连续的结构依然可以为设备提供固定连接点以维持基座的稳固。

图3 隔断式基座示意图

3 对比计算

在拖航工况下，本文以某型设备为例建立A、B 2种基座模型，其中：模型A为常规设计，模型B为隔断式设计。2个模型除基座结构不同外，其余参数信息，如连接点位置、基座板厚等均一致。如图4、图5所示，首先确定设备重心位置点，建立MPC(REB2)抓取设备基座连接点。

图4 常规基座MPC抓取受力点

图5 隔断式基座MPC抓取受力点

设备水平力设定为8个典型方向进行分析，见图6。方向1、3、5、7的水平力由沿向(向)加速度乘以设备拖航质量得到；方向2、4、6、8的水平力由向值与向值进行三角函数分解得到。

图6 水平受力示意图

图7 垂向受力示意图

设备垂向力由向加速度乘以设备拖航质量，并同时叠加设备自重得到。某设备各项受力值见表5。设备坐落区四周根据甲板载荷布置施加甲板载荷，同时由于本次计算为拖航工况，故施加由船舶垂向运动产生的额外甲板载荷，由甲板载荷乘以垂向运动加速度得到。

表5 某设备各项受力值 单位：N

根据该型FPSO的总纵弯矩包络曲线，选取对应截面的静水中垂弯矩与波浪中垂弯矩进行叠加，详见表6。

表6 中垂弯矩 单位：N·mm

图8、图9为叠加后的中垂弯矩值施加于模型两端的示意。

图8 Fr161端面弯矩施加

图9 Fr246端面弯矩施加

本次计算除上述描述的载荷外，还将于点施加设备重量并在全局施加结构自重。同时,为了进一步证明隔断式基座设计的必要性，模型A、B中均增加一个对比计算，即所有工况载荷一致，但不包含总纵弯曲影响。

4 计算结果

根据法国船级社规范要求，许用应力由如下公式计算得出：

=1.1

式中：为工况系数，拖航工况取值为0.8；为材料屈服强度，本次研究区域结构强度均为AH32级钢材，所以许用应力为277 MPa。

表7～表9分别为剪切应力、正应力、综合应力结果对比。本文仅选LC01的综合应力进行展示，见图10～图13。

表7 剪切应力结果对比 单位：MPa

表8 正应力结果对比 单位：MPa

表9 综合应力结果对比 单位：MPa

图10 LC01下常规式基座(无总纵弯曲)

图11 LC01下常规式基座(含总纵弯曲)

图12 LC01下隔断式基座(无总纵弯曲)

图13 LC01下隔断式基座(含总纵弯曲)

从对比结果可发现，无总纵弯曲影响时，常规基座与隔断式基座的剪切应力、正应力、综合应力均符合设备自身载荷作用的实际效果，且两者的3项应力差值均在10 MPa以内。当施加总纵弯曲影响后，常规基座综合应力达到459 MPa，隔断式基座综合应力256 MPa，两者综合应力均大幅提升(由于剪切应力与正应力的变化规律与综合应力相同，故后续以综合应力进行分析)。通过结果数据分析发现，设备自身实际载荷已无法产生该作用力，且基座综合应力值几乎不再随工况浮动，由此可判定总纵弯曲已完全代替设备自身载荷作为结构强度的主要影响因素。而隔断式基座受力明显小于常规式基座，且所有工况均符合许用强度标准，2种基座的应力差值达到200 MPa以上。因此,隔断式基座的设计方法可有效抵抗总纵弯曲带来的不良影响。同时通过对比结果也发现，隔断式基座在总纵弯曲影响下，综合应力增值幅度也较大，该原因与隔断式基座横向构件依然大面积接触主甲板有关。因此，在后续实际运用中，应根据实际情况酌情考虑隔断间隔的设置。

5 结论

(1)较传统设计方法，隔断式基座设计思路更能满足总纵弯曲影响下的结构强度要求。

(2)本文仅单一分析了隔断式基座的结构强度，还未考虑该结构形式的疲劳强度。因此，后续可将该形式基座结构疲劳强度作为研究重点。