FPSO救生艇甲板結構有限元分析

梁炳錢 李軍

摘 要：本文介紹了ABS規范對FPSO救生艇甲板的設計載荷及設計工況的要求，并結合有限元分析，對救生艇甲板結構強度進行校核。

關鍵詞：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

隨著海洋平臺向更深的海域發展，海洋結構物對結構的安全性和可靠性要求越來越高，且對保護工作人員生命安全的設備設施要求更為嚴格。因此，平臺或船舶救生艇甲板的結構設計顯得尤為重要。艇甲板結構除了受到設備載荷及甲板水壓力外，還有環境載荷等。尤其是救生艇甲板上的各種設備載荷和環境載荷，對平臺甲板結構的布置及設計有著直接的影響，本文根據現行規范[1][2][3]的要求，對“伊利亞貝拉”FPSO的救生艇甲板結構強度進行有限元分析及校核。

2 FPSO救生艇甲板結構基本情況及有限元模型

2.1 基本情況

本文分析的救生艇甲板為“伊利亞貝拉”FPSO的上建部分，鋼質焊接結構。救生艇甲板上有4艘重力倒臂式救生艇，分別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，還有兩個潛水站，布置在右舷的尾端，結構布置見圖1。單個救生艇重14.00 t（含艇架），救助艇重4.69t（含艇架），單個潛水站重8.00 t，以上各設備重量均為人員滿載工況。艇甲板結構由強橫梁與甲板縱桁形成強框架，且盡量在滿足整體結構受力均勻性基礎上，布置強構件于在救生艇、救助艇等設備基座處，以減少額外的加強構件。

救生艇甲板主要參數：

甲板寬 54.25m

甲板高（距下一層甲板） ～7.00m

救生艇數 4艘

救助艇數 1艘

潛水站數 2個

單個救生艇容納人數 60人

救助艇容納人數 6人

2.2 有限元模型

2.2.1 模型

根據規范要求，本文以救生艇甲板及其下部支撐結構作為分析對象，進行有限元計算，對救生艇甲板結構強度進行校核。

有限元計算采用大型通用有限元分析軟件MSC.PATRAN進行。船長方向為X軸，正方向由船尾指向船首；船寬方向為Y軸，正方向由船中指向左舷；型深方向為Z軸，正方向由船底指向甲板；模型范圍縱向為Fr12～Fr54，橫向取整個艇甲板寬度，垂向范圍自下一層甲板至艇甲板，包括艇甲板下的圍壁結構。

圖1 艇甲板結構布置示意圖

2.2.2 單元

該艇甲板的有限元模型網格沿X軸取1/4肋距長度，沿Y軸取1/4縱骨間距，沿Z軸取1/4縱骨間距。甲板板、艙壁板、舷側外板、強橫梁及縱桁等強構件的腹板均采用板單元模擬，面板、橫梁、縱骨及艙壁扶強材等弱構件用梁單元模擬，并考慮偏心。救生艇甲板的三維有限元模型如圖2所示。

圖2 救生艇甲板結構有限元模型

2.2.3 材料

本救生艇甲板結構材料采用普通碳素鋼，屈服強度為 f y =235 MPa。

2.2.4 邊界條件

救生艇甲板與生活樓連接處以及舷側板、下圍壁底部與下一層甲板連接處為剛性固定，施加剛性固定約束，即UX=UY=UZ=0，RX=RY=RZ=0，如圖3所示。

圖3 艇甲板結構的邊界條件

2.3 載荷及工況

2.3.1 結構及設備自重

艇甲板結構自重通過施加慣性加速度的方法實現，加速度取為9810mm/s2。救生艇、救助艇及潛水站分別用質量單元模擬，質量點位于其重心處，并通過MPC與艇甲板結構設備基座加強構件連接。

2.3.2 甲板壓頭

按照規范要求，施加在救生艇甲板上的水壓頭為1.68 m，即0.0168 N/mm2。

2.3.3 環境載荷

環境載荷是由船舶運動產生，通過慣性加速度施加。根據規范要求，分為兩種情況：一種是百年一遇海況，其慣性加速度為：A= [aXA，aYA，aZA] = [740，5640，4120] mm/s2；另外一種是每年一遇海況，其慣性加速度為：B= [aXB，aYB，aZB] = [770，4560，2490] mm/s2。（注：由于救生艇甲板每年一遇海況B環境載荷是參照了直升機平臺的環境載荷，所以環境載荷B中 要比A中 要大，此取值偏于安全）。

2.3.4 橫傾與縱傾

考慮救生艇的使用情況，根據規范的要求，需要考慮船舶在環境載荷（B）下，橫傾20°及縱傾10°兩種計算工況。

2.3.5 管系載荷

管系載荷是指救生艇甲板下懸掛的管系，由于船舶的運動產生的慣性載荷（已考慮管內液體晃蕩），管系載荷先傳遞到管支架上，然后傳遞到連接在甲板的支撐點上。

2.3.6 計算工況

載荷組合工況，如表1所列。

表1 載荷組合工況

注：（1） 表中LC*（A）表示環境載荷為A，LC*（B）表示環境載荷為B。

3 計算結果及分析

3.1 強度衡準

按照規范要求，在環境載荷（A）下各工況板單元的許用應力為0.9 fy =211.5 N/mm2，板單元許用剪切應力為0.53 fy =124.6 N/mm2，梁單元軸向許用應力為0.8 fy=188.0 N/mm2；在環境載荷（B）下各工況板單元的許用應力為0.7 fy=164.5 N/mm2，板單元許用剪切應力為0.4 fy=94.0 N/mm2，梁單元軸向許用應力為0.6 fy=141.0 N/mm2。

3.2 各個工況計算應力匯總

按照表1所列工況進行計算，對各工況的計算結果進行匯總，具體見表2。

表2 各工況計算結果匯總

由表2可知，板單元相當應力均小于164.5 N/mm2，板的剪切應力均小于94.0 N/mm2，梁單元軸向應力均小于141.0 N/mm2，故本救生艇甲板各項應力滿足規范要求。

最大板單元應力云圖如圖4所示，最大剪切應力云圖如圖5所示。

圖4 艇甲板結構最大板單元應力云圖

圖5 艇甲板結構最大板單元剪切應力云圖

4 結論

通過計算結果，可知本救生艇甲板結構強度滿足規范要求。

此外，該救生艇甲板在橫傾狀態時，其應力最大，究其原因主要是救生艇等設備均為懸吊狀態，重心較高，在橫傾狀態下再加上環境載荷的作用，在基座處產生的彎矩也最大，故應力也最大。

按規范要求，FPSO等海工結構物上艇甲板結構的設計載荷較復雜，設計工況較多，本文采用有限元直接計算方法，對艇甲板結構進行計算分析，對其結構強度進行校核，本文也為以后的海洋結構物艇甲板結構設計提供了一定的參考。

參考文獻

[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