基于設(shè)計波法的 FLNG 整船強度評估

闞 濤，劉加一，向琳玲，唐永生

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129)

基于設(shè)計波法的 FLNG 整船強度評估

闞 濤1，劉加一1，向琳玲1，唐永生2

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129)

本文采用基于設(shè)計波法的直接計算法對 270 000 m3的浮式液化天然氣船 FLNG 進(jìn)行整船結(jié)構(gòu)強度評估。根據(jù) FLNG 具體的結(jié)構(gòu)形式和數(shù)值分析的最終目的將該裝置的實際結(jié)構(gòu)簡化，選用適當(dāng)類型的單元對該裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散而得到 FLNG 的整船有限元模型。基于三維勢流理論并利用中國南海波浪散布圖對 FLNG 進(jìn)行水動力分析，得到了 FLNG 在典型裝載工況下的波浪壓力分布及設(shè)計波參數(shù)。通過把 FLNG 承受的波浪壓力、慣性力、靜水壓力與重力等載荷分布到有限元模型上，得到 FLNG 在典型裝載工況下全船的應(yīng)力水平、應(yīng)力分布和變形情況。該數(shù)值分析結(jié)果可在 FLNG 的初級設(shè)計階段為船體結(jié)構(gòu)強度分析提供有效分析依據(jù)，并為 FLNG 上部模塊的設(shè)計開發(fā)提供船體變形參考。

浮式液化天然氣船；整船強度；設(shè)計波；三維勢流理論

0 引 言

天然氣主要成分是碳?xì)浠衔铮c石油相比，天然氣幾乎不含其他有害物質(zhì)，具有單位熱值高，產(chǎn)生二氧化碳少等優(yōu)點。隨著人們環(huán)保意識的逐漸增強以及世界能源結(jié)構(gòu)的改變，天然氣受到越來越多國家的青睞。海上天然氣的開采雖然技術(shù)條件復(fù)雜，海況環(huán)境惡劣，裝置建設(shè)周期長，但是其投資回報率高，吸引了廣大投資者的目光。當(dāng)前海上已經(jīng)存在較多的大型氣田，但是中小氣田、邊際油田及深水氣田的數(shù)量及天然氣儲量也相當(dāng)可觀，可是傳統(tǒng)的天然氣田開發(fā)模式并不適用，而且投資收益低，無法吸引廣大投資者。

大型浮式液化天然氣船（Floating Liquid Natural Gas）是一種浮式液化天然氣處理平臺。該裝置在深水氣田的應(yīng)用及推廣有效地解決了管道鋪設(shè)所面臨的技術(shù)難題，同時也為海上中小氣田及邊際油氣田的開發(fā)提供了經(jīng)濟(jì)有效的方案。FLNG 是集液化天然氣的生產(chǎn)、儲存和裝卸于一身的新型海洋工程裝備，因此其船型、貨艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式以及鋼材的選用都有特殊要求[1–4]。FLNG 作業(yè)時通過系泊系統(tǒng)長期系泊于海洋環(huán)境中，與通常的航行船舶不同，該裝置無法有效躲避惡劣海況，不能定期進(jìn)塢維修保養(yǎng)。為保證 FLNG結(jié)構(gòu)在其生命周期內(nèi)具有足夠的安全裕度，需要在設(shè)計階段確定其可能遭遇的極限載荷并確保船舶在極限載荷下的整體強度[5–6]。傳統(tǒng)上的船體結(jié)構(gòu)強度評估以船體梁理論為基礎(chǔ)并且需要應(yīng)用大量的經(jīng)驗公式，對于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜以及尺度較大的特殊船舶，各船級社都要求采用有限元法對船體結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行評估。基于設(shè)計波法的整船強度直接計算法[7–11]計算精度高，相較于傳統(tǒng)方法可以更加合理的定義和描述船體結(jié)構(gòu)在使用時所受到的各種載荷，可以準(zhǔn)確得到船體結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在各種工況下的應(yīng)力水平及應(yīng)力分布，從而合理的完成船體結(jié)構(gòu)強度的分析與評估。對于噸位較大、結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜的新型 FLNG，國內(nèi)公開文獻(xiàn)并未報道其整船強度有限元計算分析結(jié)果。為了填補這一知識空白，本文將采用基于設(shè)計波法的直接計算法對270 000 m3FLNG 進(jìn)行整體強度評估，對其中的關(guān)鍵計算技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的探討并給出相應(yīng)的技術(shù)途徑和解決方法。

1 FLNG 全船結(jié)構(gòu)有限元模型

1.1 FLNG 船型結(jié)構(gòu)

FLNG 液貨艙采用的是薄膜型結(jié)構(gòu)型式，中間設(shè)有一道縱艙壁，平行中體范圍較長。船體中部為 4 個雙排 LNG 貨艙，轉(zhuǎn)塔附近設(shè)有 2 個雙排 LPG 貨艙以及首尖艙，尾部設(shè)有 1 個雙排凝析油貨艙以及尾尖艙。貨艙區(qū)域的前部、后部以及各貨艙之間布置有隔離空艙。該裝置的液貨艙結(jié)構(gòu)形式為完整的雙殼結(jié)構(gòu)，具有雙舷側(cè)、雙層底、雙層甲板和雙層橫艙壁，上凸形的上甲板及縱艙壁可以有效減少自由液面效應(yīng)。其主尺度為：總長 402 m，垂線間長 396.16 m，型寬 62 m，型深 35.18 m，設(shè)計吃水 13.631 m，結(jié)構(gòu)吃水14.8 m，該裝置的布置形式如圖 1 所示。

1.2 FLNG 有限元模型

采用 MSC.PATRAN 建立 FLNG 整船有限元模型，坐標(biāo)原點取在尾垂線，中縱剖面和船體外板水平面的交點處，x 軸沿船長方向指向船首為正，y 軸沿船寬方向指向左舷為正，z 軸沿型深方向豎直向上為正。模型范圍為全船結(jié)構(gòu)，包括貨艙，尾尖艙及首尖艙，F(xiàn)LNG 的上部模塊用質(zhì)點代替，對于尺寸結(jié)構(gòu)較小的縱骨等小構(gòu)件進(jìn)行合理的簡化并根據(jù) CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》合理布置網(wǎng)格線。

為保證 FLNG 的受力平衡，真實合理地反映工作狀態(tài)下 FLNG 結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，總的重力應(yīng)該與由舷外靜水壓力得到的總的浮力盡量接近，重心與浮心位置也應(yīng)該盡量接近。因此需要通過調(diào)整相應(yīng)位置材料的密度計入舾裝及機電設(shè)備等沒有模擬的構(gòu)件重量。本文根據(jù) FLNG《裝載手冊》等重量重心資料調(diào)節(jié)相應(yīng)位置結(jié)構(gòu)的密度模擬該處重力變化，保證 FLNG 有限元模型的總體質(zhì)量與重心與所給的《裝載手冊》相一致。圖 2 為全船有限元結(jié)構(gòu)的剖視圖。

1.3 邊界條件

FLNG 船體強度分析的邊界條件如下：在船體尾部尾尖艙前端的橫艙壁底部取橫向?qū)ΨQ的 2 個節(jié)點約束 y 方向及 z 方向的線位移；在船體首部首尖艙后端的橫艙壁底部取縱軸上的 1 個節(jié)點約束 x 方向，y 方向和 z 方向的線位移。

2 FLNG 整船強度評估計算工況

選取壓載和滿載 2 種典型裝載工況進(jìn)行整船強度評估，2 種工況的裝載狀態(tài)如表 1 所示。

表1 計算工況表Tab. 1 Case of calculation

3 波浪載荷計算以及設(shè)計波參數(shù)的確定

外部載荷的計算對于 FLNG 整船強度評估至關(guān)重要，為了全面準(zhǔn)確地考察 FLNG 結(jié)構(gòu)在各工況下的應(yīng)力水平，本次計算通過對不規(guī)則波中船中橫截面垂直彎矩的分析和預(yù)報，得到一個針對船中橫截面垂直彎矩的相當(dāng)規(guī)則波-設(shè)計波。滿載和壓載工況下的設(shè)計波參數(shù)主要包括波高、周期、波向角以及相位差。FLNG船體強度有限元分析施加的波浪外載包括設(shè)計波下FLNG 船體濕表面的波浪壓力和船體結(jié)構(gòu)慣性力。

3.1 理論基礎(chǔ)

在 FLNG 流場分析中應(yīng)用三維勢流理論建立該裝置在波浪中的運動響應(yīng)和載荷的理論模型。固定在FLNG 上的移動坐標(biāo)系 oxyz 中，oxy 平面與靜止的水平面重合，oz 軸向上為正。FLNG 相對于波浪在 ox 軸方向具有穩(wěn)定的前進(jìn)速度 U。

流場中總速度勢為：

應(yīng)用有限元方法，將 FLNG 裝置的外表面用四邊形網(wǎng)格離散，通過對離散的線性方程組求解，可以獲得 FLNG 船體表面上速度勢的分布，最終得到運動方程中的水動力計算結(jié)果。

3.2 波浪載荷及壓力分布

FLNG 裝置在波浪中進(jìn)行作業(yè)時，F(xiàn)LNG 的波浪載荷可以認(rèn)為是入射波、繞射波和輻射波的共同作用力，靜水壓力變化和慣性力共同作用的結(jié)果。作用在FLNG 任一橫截面 Sx處的波浪載荷，包括在 x 方向上的壓力，分別在 y 方向上和 z 方向上的水平剪切力和垂直剪切力以及繞 x 軸、繞 y 軸和繞 z 軸的扭矩、垂直彎矩和水平彎矩。

假定 FLNG 任一截面 Sx處的壓力和剪力為：

式中：V1為 x 方向上的壓力；V2為 y 方向上的水平剪力；V3為 z 方向上的垂直剪力。

假定 FLNG 任一截面 Sx處的彎矩和扭矩為：

式中：V4為繞 x 軸的扭矩；V5為繞 y 軸的垂直彎矩；V6為繞 z 軸的水平彎矩。

作用在截面 Sx處的波浪載荷是作用在截面 Sx向前的 FLNG 船體部分受到的慣性力和外力之差。

式中：Ej為波浪激振力；Dj為 FLNG 運動的水動力；Ij為 FLNG 運動的慣性力；Rj為 FLNG 運動的靜回復(fù)力

入射波、繞射波、輻射波的作用力和 FLNG 運動引起的靜水壓力可以用作用在船體表面上的壓力分布來計算。

式中：pw為入射波引起的入射壓力分布；pd為 FLNG 繞射波引起的繞射壓力分布； pm為 FLNG 運動引起的輻射壓力分布；ps為 FLNG 運動引起的回復(fù)力靜壓力分布。

3.3 規(guī)則波中船舶響應(yīng)和波浪外載分析

二維切片法和三維水動力法被廣泛的應(yīng)用于船舶外載的分析。本文應(yīng)用基于三維勢流理論編制的船舶波浪載荷程序，對單位波高規(guī)則波下 FLNG 的剖面載荷進(jìn)行計算分析。規(guī)則波取值范圍 β = 0° 到 β = 180°，每隔 15° 一個浪向；在各個浪向角下，波長船長比的取值范圍 λ/L=0.06 到 λ/L=18。圖 3 和圖 4 分別給出了壓載和滿載工況船中剖面垂向波浪彎矩在各個浪向下隨入射波頻率的變化曲線。

3.4 設(shè)計波參數(shù)的確定

該 FLNG 具有雙甲板、雙底，甲板寬大，無大開口，抗扭能力強，所以只需要對彎曲強度進(jìn)行校核，因此選擇船中剖面垂向波浪彎矩為有效載荷控制參數(shù)確定設(shè)計波。通過對各個規(guī)則波中船中剖面垂向波浪彎矩的分析可知，在浪向角為 180°、入射波頻率為0.36 的規(guī)則波中船中剖面垂向波浪彎矩的頻響值最大，所以選取該海況下的規(guī)則波為典型規(guī)則波。該海況下船中剖面垂向波浪彎矩特征最大值與典型規(guī)則波中船中剖面垂向彎矩傳遞函數(shù)值的比值為設(shè)計波波幅，表 2 給出了 2 種裝載工況下的設(shè)計波參數(shù)。

表2 設(shè)計波參數(shù)表Tab. 2 Parameters of design wave

式中：?i為相位角，tan?i=Pim/Pir，?i根據(jù) Pim和 Pir的正負(fù)不同，?i=arctan(Pim/Pir) 或 π+arctan(Pim/Pir)，Pim和 Pir為典型規(guī)則波下波浪壓力頻響值的虛部和實部。同理，F(xiàn)LNG 船體第 j 個加速度在 t 時刻的瞬時值為：

式中相位差 ?j的計算與式（7）中的 ?i的取值方法相同。u¨jr和 u¨jm分別為 FLNG 船體加速度頻響值的實部和虛部。如果波浪載荷最大值時刻為 tk，則此瞬時的水動壓力值 Pi(tk) 和慣性力值作為設(shè)計波中的水動壓力值和慣性力值施加到 FLNG 船體結(jié)構(gòu)有限元模型上用以進(jìn)行全船直接強度分析。

4 設(shè)計波中船體載荷的施加

4.1 靜水載荷

靜水載荷作為 FLNG 船體結(jié)構(gòu)強度分析的一部分施加到 FLNG 船體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計算分析，靜水載荷主要由作用于船體濕表面上的靜水壓力和作用于整船結(jié)構(gòu)上的重力構(gòu)成。FLNG 船體濕表面各點處的靜水壓力可以通過定義一個與垂向坐標(biāo) z 有關(guān)的場函數(shù)來實現(xiàn)，自重通過施加重力場得到。

4.2 波浪壓力和慣性力的施加

通過在整體坐標(biāo)系內(nèi)定義線加速度和角加速度來施加 FLNG 結(jié)構(gòu)單元的慣性力，加速度的值來自于水動力分析的計算結(jié)果。由于 FLNG 船體結(jié)構(gòu)有限元模型與 FLNG 水動力分析模型計算網(wǎng)格不匹配，通常情況下用于水動力計算的 FLNG 船體濕表面網(wǎng)格更大一些，因此本文通過基于 PCL 語言編制的水動壓力自動加載程序?qū)崿F(xiàn)波浪載荷的自動加載，大大提高了波浪壓力加載的工作效率，有效地解決了 FLNG 船體濕表面波浪壓力的加載問題。圖 5 與圖 6 為不同工況下 FLNG船體濕表面在設(shè)計波中的波浪壓力分布示意圖。

5 計算結(jié)果與分析

經(jīng)過有限元方法分析計算以后，圖 7 ～ 圖10 給出了 設(shè)計波載荷作用下典型工況整船應(yīng)力和變形云圖，表 3給出了 FLNG 主要構(gòu)件極限應(yīng)力結(jié)果。由應(yīng)力云圖可知：1）典型裝載工況下轉(zhuǎn)塔周圍的應(yīng)力水平普遍較高，這是因為轉(zhuǎn)塔附近甲板以及船底板有大開孔，轉(zhuǎn)塔前后的許多縱向構(gòu)件在這里斷開，構(gòu)件不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此轉(zhuǎn)塔周圍的應(yīng)力值普遍較大。2）滿載工況的應(yīng)力水平普遍較壓載工況的應(yīng)力水平高，因為滿載工況下船體承受了較大的載荷，而波浪載荷的作用加劇了船體重力與浮力分布規(guī)律的不一致，因此滿載工況下的船體將會產(chǎn)生較大的總縱彎曲，從而使得滿載工況下的應(yīng)力水平較壓載工況的應(yīng)力水平高。3）不同裝載工況下船體中部都要承受較大的截面彎矩，因此船體中部應(yīng)力水平較高，而船首、船尾應(yīng)力水平較低。

表3 主要構(gòu)件局部最大應(yīng)力計算結(jié)果Tab. 3 Maximum stress on structure’s local place

6 結(jié) 語

為保證 FLNG 在運營過程中具有足夠的安全裕度，必須在設(shè)計初期就對 FLNG 的整船強度進(jìn)行評估。本文在確定設(shè)計波載荷并對 FLNG 結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模以后，采用基于設(shè)計波法的直接計算法對 270 000 m3FLNG 在滿載和壓載 2 種工況下的整船強度進(jìn)行計算評估，計算結(jié)果表明：1）不考慮應(yīng)力集中的前提下，滿載工況和壓載工況的應(yīng)力水平都滿足總強度要求；2）滿載和壓載工況下的最大變形位于船中附近，2 種典型工況下的整船變形水平不是很大，布置上部模塊時應(yīng)合理利用結(jié)構(gòu)的變形特點；3）內(nèi)轉(zhuǎn)塔周圍的應(yīng)力水平較高，同時有很多縱向構(gòu)件在這里斷開，因此該處結(jié)構(gòu)將是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點區(qū)域。

致謝

滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司提供了 FLNG 的設(shè)計圖紙并給出了相關(guān)建議，特此表示感謝。

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Overall strength assessment of flng based on design wave approach

KAN Tao1, LIU Jia-yi1, XIANG Lin-ling1, TANG Yong-sheng2
(1. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) CO., Ltd., Shanghai 200129, China)

The overall strength assessment of a 270 000 m3FLNG (Floating Liquid Natural Gas) was carried out based on design wave approach. Simplified FLNG’s structure based on the ship’s structure form and numerical analysis’s purpose, building a finite element model of FLNG by choose appropriate unit. Hydrodynamic analysis were calculated based on 3-D potential theory and long term prediction using South China Sea scatter diagram, the design wave parameters and hydrodynamic pressure distribution were determined for typical load condition of FLNG. And then loaded hydrodynamic pressure, inertial force, hydrostatic pressure, gravity on the model, obtained stress level, stress distribution, deformation of the hull structure at last. The results of numerical analysis can providing effective basis for overall strength assessment of FLNG at the stage of primary design, it also can providing reference of hull deformation for topside design.

FLNG；overall Strength；design Wave；3-D potential theory

U663.2

A

1672–7619(2017)05–0032–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.007

2016–08–29；

2016–10–19

國家863計劃資助項目(2013AA09A216)

闞濤(1991–)，男，碩士研究生，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造的研究。