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深远海多功能原油转驳船全船有限元分析论文

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  关键词:原油转驳船,等效设计波,整船强度,谱疲劳分析

  0引言

深远海多功能原油转驳船全船有限元分析论文

  近年来,石油与天然气在全球能源占据的份额明显上升,随着陆地油气储量的不断减少,人们对海上资源的勘探兴趣愈发浓厚。地球上的海洋面积是陆地面积的两倍以上,海底石油总蕴藏量约为1400亿~2 000亿t,海洋天然气储存量约为140亿m3。海洋相较于陆地具有更大的开发潜力[1]。然而,从技术角度来看,海洋的平均深度达到3700 m。在占据海洋总面积约73%的水域中,深远海的水深达到了3000~6 000 m,并且这些深远海海域蕴藏着更为丰富的矿产资源。开发这些深远海区域的石油资源需要克服高压、低温和极端条件带来的挑战。例如海底钻井、油气开采、输送设备以及海底设施的设计与建造等技术问题[2]。

  目前,浮式生产储卸油装置(Float Production Storage and Offloading,FPSO)被广泛应用于海上石油的生产、储存和加工。当进行大规模、远距离的深远海油气资源开发与运输时,石油必须定期通过穿梭油轮(ShuttleTanker,ST)进行外输,以避免FPSO生产的中断[3]。与超大型油轮(Very Large Crude Carrier,VLCC)相比,穿梭油轮的石油载质量在8~15万t之间,远远小于超大型油轮的20~30万t,并且造价更为昂贵。因此,如何充分发挥常规油轮高效低成本的优势,促使现有常规油轮能够代替穿梭油轮从事深远海油田的原油运输作业,是国际原油输送装备技术亟需解决的难题[4]。

  如图1所示,针对市场需求,中远海运重工联合国内知名研究院所,开发了一种新概念船型——深远海多功能原油转驳船(Cargo Transfer Vessel,CTV),首次提出了一种全新的原油外输作业理念,即“FPSO+CTV+VLCC”原油外输模式[5]:由CTV与VLCC组成的船队通过靠近FPSO,将FPSO处理后的原油利用CTV的双舷侧装载系统过驳至VLCC的装载区域,有效解决了VLCC与FPSO直接转驳时的系泊防碰撞难题,大大提高了深远海原油转驳的作业效率与安全性。图2所示为CTV的双舷侧装载系统,左舷装备了标准化的装载设备连接至VLCC,右舷连接至FPSO终端,艉部布置了安装卸载系统。作业时,CTV在FPSO周边进行机动定位,通过大口径输油软管将FPSO原油转驳输送至VLCC,实现离岸深水原油外输。

  如图3所示,与传统的“FPSO+穿梭油轮”相比,“FPSO+CTV+VLCC”作业模式具有高效、低成本、低风险的优势,具有巨大的发展空间[6]。同时,针对部分地质构造复杂的边际油田必须使用高成本穿梭油轮的瓶颈问题,CTV发挥快速链接转驳和长距离作业的特性,提高了VLCC级别常规油轮的作业范围与安全性,降低了原油的装载成本。应用表明:“FPSO+CTV+VLCC”作业模式比穿梭油轮平均作业周期缩短30%,每桶油外输成本平均节省约0.75美元(每艘VLCC直接提油7~10 d,节省约150万美元)。

  原油转驳船(CTV)作为新型原油外输作业模式的核心,起到了生产单元与贸易油船之间传输桥梁的作用。

  本文针对CTV深远海作业的工况,在波浪载荷反复作用下易发生局部结构疲劳失效问题,对CTV进行整船有限元分析。本文根据DNV海工辅助船规范校核,采用有限元分析软件Sesam软件包进行计算。首先,使用GeniE模块建立CTV的结构模型、质量模型与水动力模型;其次,考虑到CTV在波浪载荷作用下的疲劳损伤状况,基于HydroD模块,运用等效设计波方法模拟波浪载荷;最后,对CTV行整船强度分析,并针对CTV的主要结构进行谱疲劳分析,以舷侧Fr72肋位处纵骨过梁孔为例,进行疲劳强度校核与结构优化。

  1 CTV有限元分析模型建立

  1.1结构模型与质量模型

  本文采用Sesam/GeniE模块按照船舶实际结构建立CTV全船的结构模型与质量模型。主要结构采用板壳单元建模,包括甲板板、船体外板、纵横舱壁等;次要结构采用梁单元建模,包括船纵骨、加强筋等,得到图4所示为CTV全船结构模型,用于计算船体结构对于水动力模型传递载荷的响应。

  在全船结构模型的基础上,采用质量点模拟船上大型设备等设施,并对全船结构模型赋予材料密度,通过调整各部分结构材料密度来模拟一些未建模的小设备、舾装件和管线等重量,使得所建CTV模型的空船质量与实际质量相匹配。其中,计算工况中包含的液体货物、压载水等重量在HydroD程序中用虚拟的舱内水动压力模拟。CTV的质量模型如图5所示。

  1.2水动力模型与计算

  CTV水动力模型选择包含莫理森模型的复合模型,复合模型的设置包括有限元模型、随机拖拽、载荷截面与舱室。其中,有限元模型包括莫理森模型、湿表面模型、结构模型和质量模型,用于计算波浪载荷。

  根据船东提供的CTV横摇衰减模型试验数据曲线,在本船的水动力分析时,采用包含莫理森模型的复合模型计算横摇粘性阻力。莫理森模型由直径0.02 m的梁单元组成,梁单元的拖拽系数取950,并且不考虑浮力,如图6所示;湿表面模型如图7所示;随机拖拽用于计算船舶浮态;载荷截面用于计算船舶剖面上的载荷;舱室用于计算舱室内液体质量并且传递舱内液体压力。

  水动力模型的计算主要包括两个部分[7]:第一,计算CTV在不规则波浪下的运动和载荷响应,根据控制载荷在10-8超越概率的长期预报值,计算得到相应的各个等效设计波;第二,计算CTV在各个等效设计波中湿表面的波浪压力,通过求解器传递到全船结构上,得到全船结构对等效设计波的应力响应。本文使用水动力计算程序Sesam/HydroD传递载荷,主要包括结构或非结构单元的惯性载荷、外部海水压力、内部液体(液体货物、压载水等)的压力、黏性阻尼力等。

  1.3材料属性与边界条件

  CTV模型的所有结构采用最小屈服应力为355 MPa的船用高强度结构钢,其属性如表1所示。

  根据DNV国际造船新公约规范,为避免奇异性,本文在CTV有限元分析中采用如图8所示的最小3点约束[8]。

  2等效波浪载荷设计
       2.1装载工况

  CTV具有独创的箱型压载舱结构,采用直流电力系统,搭载4台可变速柴油机,2台2200 kW全回转伸缩推,1台700 kW侧推,以及船艉各1台全回转主推进器,主尺度如表2所示。

  本文使用4种装载工况(OP100.S3,OP100.S2,OP10.S3,OP10.S2)进行CTV整船强度分析,具体数据如表3所示。

  2.2等效设计波理论

  船舶在海上航行会遇到各式随机方向的不规则波浪。实际上,这种波浪可被视为与时频域下不停变化的规则波浪的叠加。船舶在不同的不规则波浪条件下,所受外载荷的激励与相位和浪向有关[9]。船舶所产生的内部结构响应(例如剪力和弯矩),以及运动响应(各个方向的加速度)等均不相同。通过统计与长期预报手段,可以获得不同海域的波浪统计参数以及不同主控载荷在其相应的波浪参数中的响应函数。该波浪参数可以被近似认为某个主控载荷出现极值的波浪参数(相位/周期),基于该主控载荷对应的等效规则设计波参数,即为等效设计波法,等效设计波的波幅如下[10]:根据DNV规范[11],结合CTV的结构特点,本文选取了表4所示的控制载荷,并设置了图9所示的载荷截面,计算各个截面参数处控制载荷达到最大时所对应的波浪参数。

  本文基于HydroD的Wadam分析模块计算CTV水动力传递函数,输入图10所示环境工况。

  2.3等效设计波参数

  根据截面上控制载荷的频率响应函数与10-8超越概率的长期预报值得到四种工况下的等效设计波[12-14]。本文以满载工况(OP100.S3)在船舯剖面的垂向弯矩(SECL1035)为例,其等效设计波参数结果如图10与表6所示。

  3基于等效设计波载荷的CTV强度分析

  3.1屈服强度校核

  在水动力程序HydroD中输入设计波参数,得到各等效设计波的波浪压力。为简便计算,各等效设计波波幅均设为1 m,后处理时按实际波幅放大。以船舯剖面的垂向弯矩(SECL1035)作为控制载荷为例,图11为单位等效设计波对船体外板压力以及舱内液体至舱壁的压力的云图。

  通过求解器Setra模块,将等效设计波对船体外板受到的波浪载荷以及静水载荷传递给CTV全船结构,得到全船结构的响应应力。屈服强度校核主要基于通过对CTV整体强度分析获得名义轴向应力、名义剪切应力和名义合成应力。在CTV整体有限元模型中,屈服强度的评估通常采用板中面应力进行评估。合成应力采用中面应力表达式如式(2)所示[15]。根据DNV规范,屈服强度校核基于等效中面应力,许用的等效中面应力一般不超过95%材料屈服极限[16-18],即320 MPa。以船舯剖面的垂向弯矩(SECL1035)为例,图12所示为等效设计波对CTV船体结构的应力云图。

  通过对4种工况下CTV全船结构合成应力进行屈服强队校核,除个别单元由于受到应力集中或者边界条件影响合成应力超过规范要求外,其余单元合成应力均小于等效中面应力,结果符合规范要求。根据有限元分析结果,对于一些合成应力比较接近许用应力单元的结构,在后续的设计中相应增加板厚,降低结构应力水平,以期更加安全[12]。

  3.2屈曲强度校核

  屈曲强度校核主要针对CTV船体的主要构件,如甲板、内外底板、舷侧板、舱壁等。根据DNV规范,加筋板的屈曲强度校核有2种主要方法[19]:第一种,应用于船体梁纵向构件;第二种,应用于船体梁主要支撑构件。

  本文对4种工况各个等效设计波作用下的CTV合成应力详细分析后,选择满载工况(OP100.S3)对CTV全船结构进行屈曲强度校核。

  本文使用Sesam/GeniE模块进行屈曲强度校核。首先,在GeniE模块中导入CTV全船结构概念模型(.XML格式),删除所有工况,根据规范要求扣除腐蚀裕量,对主要结构进行分组,生成有限元网格;其次,新建两个工况,并导入等效设计波作用下的全船结构应力响应结果文件,有限元网格单元与节点数量保持不变,导入结果文件里包含的静水工况与波浪工况需依次映射至新建的两个工况;最后,在GeniE模块中创建包括静水与波浪应力结果的组合工况,并对组合工况进行屈曲分析(Code check)。屈曲分析以CSRTank作为标准[20],计算各个典型板架结构的利用系数。经计算分析,CTV船体主要结构其利用系数均小于1.0,符合规范要求。图13为两种方法下CTV船体主要结构屈曲分析利用系数云图。

  如屈服强度校核云图红色标记处所示,CTV存在个别板格因各种原因导致的屈曲校核失效。其中,船艏部模型线形发生变化,细节A处靠近边界条件位置,细节B处受输油软管转盘影响等。因此,对于这些屈曲校核失效的板格应使用PULS程序继续进一步校核优化,使结构满足规范要求。

  3.3疲劳强度校核

  据统计,疲劳破坏是导致海洋工程结构失效的主要形式之一。因此,对CTV结构件的疲劳计算至关重要。

  本文采用全概率谱疲劳分析法进行疲劳强度校核。首先,对CTV全船主要结构进行谱疲劳分析,得到累积疲劳损伤云图;其次,对于规范要求的关键节点与累积疲劳损伤超标的节点,采用子模型技术,粗网格精细化,对局部结构的疲劳强度深入分析;最后,对结构进行优化[21]。

  本文以舷侧Fr72肋位处纵骨过梁孔为例进行疲劳强度校核与优化,结果如图14所示。该处结构发生疲劳失效的主要原因是随着CTV吃水深度的增加,受到的动载荷也相应增大。作用于外板的压力载荷经纵骨传递至横向肋板,由于纵骨与肋板间采用焊缝连接,当支撑肘板承受载荷时,极易发生剪切变形。因此,为解决舷侧Fr72肋位处纵骨连接处的疲劳热点问题,本文提出对舷侧Fr72肋位处纵骨的3个较低位置过梁孔添加水密补板,以便更好地将载荷传递至肋板,提高疲劳寿命。

  4结束语

  本文以具有新概念船型结构的深远海多功能原油转驳船(CTV)为研究对象,详细介绍了全船有限元分析的方法和步骤。使用Sesam软件建立全船有限元分析模型,通过设计等效波浪载荷,对CTV全船进行屈服强度、屈曲强度与疲劳强度校核,验证了CTV整船结构强度满足设计规范要求,并对疲劳热点结构进行了优化,得出以下主要结论。

  (1)对于CTV整船结构存在的局部应力集中处,在后续的设计中可以根据规范相应增加板厚,降低结构应力水平,以期更加安全。

  (2)CTV全船有限元模型中的个别板格因模型线形变化、靠近边界条件位置、受输油软管转盘等影响存在屈曲校核失效,需要进一步对模型进行优化,提高模型的准确性,使结构满足规范要求。

  (3)针对舷侧Fr72肋位处纵骨存在疲劳热点的情况,通过对其中的3个较低位置过梁孔添加水密补板进行优化,有效地将载荷传递至肋板,提高了部件的疲劳寿命。

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