FPSO上層居住模塊整體吊裝強(qiáng)度計算研究

周　慶, 龔偉兵, 向小斌，徐　輝

(1.中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116600； 2.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231)

FPSO上層居住模塊整體吊裝強(qiáng)度計算研究

周慶1, 龔偉兵2, 向小斌2，徐輝2

(1.中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116600； 2.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231)

摘要：大型船舶上層建筑整體吊裝是船舶建造中的一項先進(jìn)工藝，但如何保證吊裝工藝的安全性仍是一項技術(shù)難題。以某FPSO(浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置)上層居住模塊為例進(jìn)行研究，采用有限元方法和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān)理論，結(jié)合DNV規(guī)范對FPSO上層居住模塊整體吊裝強(qiáng)度進(jìn)行分析。計算結(jié)果顯示，吊裝時高應(yīng)力一般發(fā)生在吊點附近區(qū)域的強(qiáng)支撐構(gòu)件上。該方法為吊裝方案的可行性提供了依據(jù)，實際吊裝過程驗證了計算的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：油船；上層建筑；整體吊裝；強(qiáng)度計算；有限元法

0引言

船舶與海洋工程上層居住模塊整體吊裝是船舶建造中的一項先進(jìn)技術(shù)，可有效縮短船臺建造周期，降低造船成本，提高勞動生產(chǎn)效率。隨著預(yù)舾裝程度的提高，上層居住模塊甚至變成獨立的海工產(chǎn)品，異地制造再運輸組裝。但船舶大型化以及預(yù)舾裝水平的提高使上層建筑整體分段的尺寸、重量越來越大，有時接近甚至超過千噸，而結(jié)構(gòu)剛性則相對減小，這使得上層居住模塊的整體吊裝變得更加困難。另外，即使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足吊裝要求，吊裝過程的局部變形也可能導(dǎo)致內(nèi)舾裝、管裝、電裝和重要設(shè)備的破壞，拖延交貨時間，造成船廠重大經(jīng)濟(jì)和信譽(yù)損失。為保證模塊整體吊裝作業(yè)安全，吊裝方案的設(shè)計尤為重要，而設(shè)計合理的吊裝方案關(guān)鍵在于上層建筑整體吊裝強(qiáng)度分析的可靠性。

對于復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，包括船舶結(jié)構(gòu)在內(nèi)，使用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法、彈性力學(xué)方法、板殼理論等只能進(jìn)行一定的簡化計算，更加精確的計算一般都是采用通用的、行之有效的有限單元法。目前，上層建筑整體吊裝強(qiáng)度數(shù)值計算已經(jīng)開始研究。

楊永謙等[1]對上層建筑的強(qiáng)度采用二維有限元分析，將結(jié)構(gòu)離散成梁單元進(jìn)行計算，并采用經(jīng)典力學(xué)方法，利用三彎矩原理，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。無論應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)計算還是將結(jié)構(gòu)處理成梁單元，都可以降低計算強(qiáng)度，縮短計算時間，但同時卻降低了計算精度，無法更好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在三維上應(yīng)力和變形的分布形式。

張延昌等[2]通過建立105 000 DWT油船上層建筑整段有限元模型，進(jìn)行上層建筑吊裝前以及整體吊裝2種工況下的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，計算得到上層建筑構(gòu)件的應(yīng)力與變形水平。上層建筑整體建模可以得到結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，是一種更加準(zhǔn)確有效的方法。

葉家瑋等[3]考慮上層建筑外形尺寸、重量重心位置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工廠設(shè)備的吊運能力等因素確定吊裝方案，并討論了受力不均勻引起的變形。

李永正等[4]利用有限元法計算了大型油船上層建筑吊裝前和吊裝時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，王峰等[5]對大型船舶上層建筑整體吊裝的工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用有限元計算進(jìn)行驗證。

從以上分析可見上層居住模塊整體吊裝工藝的先進(jìn)性和復(fù)雜性，本文在前面研究的基礎(chǔ)上，采用有限元方法，對FPSO的上層居住模塊吊裝工藝進(jìn)行分析和研究。

1上層居住模塊基本情況與建模

1.1坐標(biāo)系統(tǒng)和計算單位

坐標(biāo)原點，中心線Fr0肋位；X軸，縱向，指向船艏為正；Y軸，橫向，指向左舷為正；Z軸，垂向，向上為正。單位：長度為m，力為N，應(yīng)力為Pa。

1.2材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)材料為AH36船用高強(qiáng)鋼，屈服應(yīng)力為355 MPa，楊氏模量為2.05×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

1.3重量重心

本船上層居住模塊長41.4 m，寬13.5 m，高23.5 m，結(jié)構(gòu)全部采用普通碳素鋼，鋼結(jié)構(gòu)重量為928.934 t，總重量為1 696.93 t。重量、重心數(shù)據(jù)見表1。

表1　上層居住模塊結(jié)構(gòu)重量中心

1.4數(shù)值模型

結(jié)合FPSO上層建筑圖紙，采用大型有限元軟件SESAM/GeniE程序，用板單元模擬甲板、艙壁和強(qiáng)橫梁等結(jié)構(gòu)，梁單元來模擬骨材和加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，完成有限元建模，并針對模型進(jìn)行整體和局部強(qiáng)度計算分析。考慮到主要分析的內(nèi)容是上層建筑結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，因此忽略了部分小結(jié)構(gòu)件(如肘板、小開口及開口加強(qiáng)筋等)。上層居住模塊的縱骨間距和肋距都是0.9 m，普通區(qū)域單元尺寸為0.45 m×0.45 m，特殊區(qū)域單元尺寸為0.05 m×0.05 m。

1.5邊界條件和載荷

本船上層居住模塊吊裝方案中，鋼絲繩索具末端約束X、Y、Z三個方向的平動位移。整個結(jié)構(gòu)所受外載荷為重力，對結(jié)構(gòu)垂向施加慣性載荷。

2吊裝方案設(shè)計

該上層居住模塊將在中國建造完成，再運輸?shù)桨臀髋cFPSO主船體進(jìn)行合攏。考慮兩地起重設(shè)備的要求，為模塊的運輸和安裝分別設(shè)計了2種吊裝方案。方案1為上層居住模塊在中國船廠建造完成后，采用2 000 t 4鉤頭起重船將模塊吊到運輸船上；方案2為上層居住模塊在巴西使用2 000 t門式起重機(jī)將模塊吊到FPSO主船體上進(jìn)行安裝。

方案1(LC1)：

上層居住模塊由2 000 t浮吊的4個主鉤起吊，每個主鉤的承載能力為500 t。 32個吊板均勻布置在上層建筑頂部，這些吊板平均分成4組，2組位于艉側(cè)Fr10艙壁上面，2組位于艏側(cè)Fr25艙壁上面。吊裝方案1具體布置如圖1所示。

圖1　吊裝方案1(中國)

方案2(LC2)：

上層居住模塊在巴西將通過2 000 t門式起重機(jī)吊裝到FPSO主船體上，該門式起重機(jī)配有2個1 500 t吊梁。對應(yīng)設(shè)計了19個吊板用于此吊裝作業(yè)，這些吊板都布置在模塊頂部左右兩側(cè)。10個吊板位于右舷艙壁，其他9個吊板位于左舷艙壁。吊裝方案2具體布置如圖2所示。

圖2　吊裝方案2(巴西)

3上層建筑吊裝整體強(qiáng)度數(shù)值分析

3.1結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

吊裝過程中，相當(dāng)應(yīng)力(Von Mises stress)計算公式如下所示。

式中：σ1、σ2、σ2為主應(yīng)力。

整體吊裝分析采用DNV規(guī)范進(jìn)行計算。考慮吊裝過程的不確定性，吊裝有限元分析需要考慮動態(tài)放大、重心偏差、索具偏差等各種載荷修正系數(shù)。具體載荷系數(shù)見表2。

整體吊裝分析安全系數(shù)取為1.3，結(jié)合表2中規(guī)定的載荷系數(shù)，可得FPSO的上層居住模塊各結(jié)構(gòu)位置的許用應(yīng)力，其中吊點結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力[σ]=143.7 MPa，支撐構(gòu)件及其他結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力[σ]=162.5 MPa。

表2　吊裝載荷系數(shù)

3.2吊裝強(qiáng)度校核

利用SESAM/GeniE軟件對所建立的有限元模型進(jìn)行分析, 圖3至圖7分別顯示了方案1和方案2兩種工況的整體應(yīng)力分布、最大應(yīng)力位置、吊點應(yīng)力分布及整體垂向位移分布。

圖3　LC1整體應(yīng)力分布 (單位:Pa)

圖4　LC2整體應(yīng)力分布 (單位:Pa)

圖5　結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分布位置 (單位:Pa)

圖6　吊點最大應(yīng)力分布位置 (單位:Pa)

圖7　LC2垂向位移分布 (單位:m)

整理方案1和方案2兩種工況的應(yīng)力和位移結(jié)果見表3，最大應(yīng)力155.4 MPa發(fā)生在吊點下方的強(qiáng)構(gòu)件交叉處。從表3結(jié)果可以看出，各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力都小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。上層居住模塊高23.5 m，加上吊索高度，整體計算模型高約33 m，最大垂向位移為0.041 m，變形比例約為1/1 000，且整體變形位移沿著模型均勻分布。實際吊裝過程也證明了吊裝工藝的安全性。

表3　最大應(yīng)力與位移

3.3結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度校核

上層居住模塊屬于典型薄壁結(jié)構(gòu)，吊裝過程中結(jié)構(gòu)受壓，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及屈曲破壞等危險狀況，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈曲校核。板梁結(jié)構(gòu)屈曲計算的典型受力模型如圖8所示。

對經(jīng)受平面內(nèi)和側(cè)壓載荷的板屈曲狀態(tài)需要滿足下面的強(qiáng)度準(zhǔn)則：

式中：σxmax為縱向最大壓應(yīng)力；σymax為橫向最大壓應(yīng)力；τ為邊剪應(yīng)力；σCx為在縱向方向單軸壓縮的臨界屈曲應(yīng)力；σCy為在橫向方向單軸壓縮的臨界屈曲應(yīng)力；τC為邊緣剪切的臨界屈曲應(yīng)力；η為屈曲利用因子。

圖8　板梁結(jié)構(gòu)屈曲計算受力模型

本文屈曲校核依據(jù)DNV規(guī)范，計算方法是提取各工況下有限元計算結(jié)果中各層甲板單元的X,Y方向正應(yīng)力σx和σy以及剪應(yīng)力τxy的數(shù)值，選擇應(yīng)力大的甲板區(qū)域為校核對象，以甲板板格為單位，將正應(yīng)力數(shù)值填入根據(jù)規(guī)范公式編寫的計算表格中可求得該板格的屈曲利用因子η。計算結(jié)果顯示選定區(qū)域的板格的屈曲利用因子η均小于規(guī)范規(guī)定的0.8，屈曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。圖9、圖10和圖11分別顯示了屈曲校核區(qū)域選擇、板單元應(yīng)力提取、規(guī)范公式表格計算等屈曲校核過程。

圖9　正應(yīng)力σx分布云圖及屈曲校核區(qū)域選擇 (單位：Pa)

圖10　板單元σy應(yīng)力提取 (單位：Pa)

4結(jié)論

海洋工程上層居住模塊整體吊裝是一項復(fù)雜的

工藝過程，需要綜合考慮各個方面的因素。文中采用有限元法對總重1 700 t的上層居住模塊吊裝進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，并依據(jù)DNV規(guī)范，分析和校核了2種吊裝工況下的上層居住模塊的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。該方法能有效地評估吊裝方案的合理性，提高吊裝工藝設(shè)計的安全性，對生產(chǎn)建造具有指導(dǎo)和借鑒意義。

圖11　板屈曲規(guī)范公式表格計算

通過對計算結(jié)果的分析可知，吊裝時高應(yīng)力一般發(fā)生在吊點附近區(qū)域的強(qiáng)支撐構(gòu)件上。通過有限元計算可以提前發(fā)現(xiàn)問題，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施以保證整體吊裝作業(yè)的順利安全進(jìn)行，實際作業(yè)過程也證明了本吊裝方案的安全性。

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收稿日期：2016-01-07

作者簡介：周慶(1974—)，男,碩士，工程師，研究方向為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算。

中圖分類號：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A