FPSO典型舱段极限强度
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第!"卷第"期 #$#%年%#月
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典型舱段极限强度
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谷家扬%M冯湖川%Y$ 渠基顺%M李成军#李!荣!万家平!
%F江苏科技大学 MF海洋装备研究院YF船舶与海洋工程学院江苏 镇江 #%#$$! #F中国船舶及海洋工程研究院上海 #$$$%%!F南通中远海运船务工程有限公司江苏 南通 ##"$$%
!!摘!要针对浮式生产储卸油装置 ,65MWHJN0V5XO:WH5J-W5VMN9MJX+QQ65MXHJN,0-+主船体货舱区 域结构采用 *YMnOI准静态分析法考虑材料非线性因素和船舶工作海域实际海况建立!档强框模型并对 其在垂向弯矩和!$g艏斜浪作用下的极限承载能力进行研究采用整船波浪直接计算得到的弯矩幅值响应算
求解器对某集装箱船船体结构在单调和中拱中垂循 环弯矩作用下的极限强度进行计算与对比%发现在 循环荷载作用下由于塑性应变累积和塑性破坏交替 发生%船体梁极限强度较单调弯矩作用时偏弱+
本文结合研究对象作业海域的波浪载荷情况% 应用 *YMnOI准静态非线性有限元法研究舱段结构 在垂向载荷与水平载荷联合作用下的极限强度及结 构破坏失效模式+对比不同的弯矩转角曲线以确定 适用于本模型的载荷加载速率%由整船波浪直接计 算得到的弯矩传递函数比值确定联合载荷工况下中 垂与水平载荷加载比例关系%比以往采用一系列载 荷比例的计算方式更进一步+
子比值确定联合载荷中垂向与水平载荷加载关系研究表明在垂向载荷作用下结构抵抗中拱弯矩的能力更
强引入水平载荷后结构抵抗垂向外载荷能力降低且水平载荷对中垂极强弯矩的影响更大极限弯矩发生时
相应结构一般发生大面积的屈曲破坏水平极限弯矩总是先于垂向极限弯矩出现舭部结构的存在有效传导
了中拱与水平弯矩联合载荷
彭大炜等)%*归纳分析弧长法(阻尼因子法与准 静态法在求解结构极限承载力中的计算特点与求解 思路%通过结果对比验证准静态法在计算较大模型 时具有较 大 优 势+ 张 水 林)#*采 用 载 荷$结 构 响 应 一 体化分析系统研究某阿芙拉型远洋油船在规则波中 不同浪向角作用下的船体梁极限强度%计算得到的 极限强 度 较 船 体 方 法 得 到 的 极 限 强 度 偏 小+ 林 瞳 等)!*采用 *YMnOI准静态分析法对纵剪和纵扭联合 作用下 的 半 潜 平 台 进 行 研 究% 详 细 探 讨 加 载 点 位 置(网格尺寸和不同纵剪纵扭载荷比对计算结果的 影响+王崇磊)E*(昝森)<*(袁梦等)"*研究超大型集 装箱船在三向载荷联合作用下的极限强度及其相互 影响模式%并提出表征集装箱船三维极限强度安全 区域的公式+王醍等)?*利用非线性有限元法分别计 算基于单跨梁与舱段模型的船体梁极限强度%并探 讨上层 建 筑 对 极 限 承 载 力 的 影 响+ 石 宝 雨)=*利 用 -^HWT简化计算法和非线性有限元法对破损船体的 剩余极限强度进行计算分析%发现船舶破损后的不 同浮态对极限承载能力有较大影响+
关键词,0-+极限强度联合载荷准静态分析非线性有限元
中图分类号L"?EF!=e%
文献标志码*
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第"期!!!!!!!!!!!!!!!!谷家扬%等!,0-+ 典型舱段极限强度
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=!引!言
浮 式 生 产 储 卸 油 装 置 !,65MWHJN 0V5XO:WH5J -W5VMN9MJX+QQ65MXHJN%,0-+"作为海上油气开发的 主力装备一直是国际海洋工程界的研究热点+以荷 兰-a3 +QQIT5V9公司为代表开发的通用型 ,0-+ 可 在通用主结构上适配各种接口以满足更广泛海域的 要求%批量生产主船体可缩短建造周期以提高经济 性+因此%有必要对 ,0-+ 主船体的舱段结构进行 极限强度分析以确定其承载能力与设计冗余度+
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!!由图#和表!可知%!种转角加载速率下的极 限弯矩相差并不大%误差都在#h以内%在转角加 载速率为$F$$$<VMX$I下捕捉到的极限弯矩最小+ 当转角 加 载 速 率 为 $F$$#$VMX$I时% 虽 然 极 限 弯 矩相差不大%但在到达极限状态前出现#段斜率不 同的曲线%不符合材料的线性特点+转角加载速率 为$F$$%$VMX$I与$F$$$<VMX$I的计算区别主要 体现在载荷曲线的卸载阶段+在此阶段舱段更多发 生的是非纵向构件的变形等破坏%较慢加载速率对 应的曲线走势变化较大%可进一步确定载荷卸载阶 段的外 力 传 递 路 径+ 且 由 于 $F$$$<VMX$I加 载 速 率较慢%在线性变化阶段即结构达到极限弯矩前的 数据更丰富%便于对结构开展后续分析+因此%最 终选取的加载速率以$F$$$<VMX$I为准+ @?@!垂向载荷作用下舱段结构极限强度
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基金项目国家自然科学基金 编号<%??>%$>江苏省科技成果转化项目 编号a*#$#$$"# 作者简介谷家扬 %>?>D男教授研究方向为船舶与海洋工程结构性能 $ 通信作者冯湖川 %>>"D男硕士研究生研究方向为船舶与海洋结构物设计制造
1//等)>*参考船舶实际结构建 立 非 等 厚 加 筋 板模型%采用有限元分析法与迭代增量法对模型极 限抗压强度进行分析%为计算变厚度板的极限抗压 强度的结构建模提供指导+2*)*A* 等)%$*采用一 系列薄 壁 梁 单 元 对 船 体 梁 模 型 进 行 简 化 并 采 用 -^HWT法计算截面在弯扭组合作用下的极限抗弯强 度%将该简化方法应用于组合荷载作用下的缩尺模 型连续破坏试验%对比试验和有限元结果%讨论简 化方法的有效性+1// 等)%%*研究!种不同尺寸集 装箱船船体结构在垂向弯曲及扭转组合作用下的极 限强度%采用 *10-$'L11!8程序计算船体结构的 渐进崩溃行为%在此基础上给出船体梁极限强度与 垂向弯矩和扭矩的关系+1(L 等)%#*采用 1-@8R)*
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@!舱段结构在垂向载荷下的极限强度
@?>!加载速率对计算结果的影响 *YMnOI$/P_6H:HW显式动力学分析需 要 准 确 追
踪结构在短时间作用载荷下的应力响应%不同的载 荷加载速率会导致结构响应的差异+因此%有必要 对模型的加载速率进行探讨%选取模型转角加载速率 分别为$F$$%$VMX$I($F$$#$VMX$I和$F$$$<VMX$I+ 以中垂计 算 工 况 为 例% 不 同 转 角 加 载 速 率 下 弯 矩@ 转角关系如图#和表!所示+
>!/7*T 舱段模型介绍
以荷兰-a3 公司设计的深水通用 ,0-+ 为研 究对象%该 ,0-+ 能满足墨西哥湾(巴西(西非等 多个作业海域的工作要求%主尺度如表%所示+
总长
表>!/7*T 主尺度
垂线间长
型宽
型深
^ 货舱段肋距
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结合各船级社规范对极限强度校核模型范围的 要求 且 考 虑 到 本 ,0-+ 的 实 际 结 构 形 式% 建 立 %$#e%e%e%$# 肋 距 !三 档 强 框"有 限 元 模 型% 如图%所示+按照相关规范要求%模型采用的网格 尺寸为%$"纵骨间距+,0-+ 货舱区域纵向骨材皆 由尺寸较大的 2 形板组成+为更真实地模拟货舱 区域在极限状态下的受力情况%2 形板腹板及尺寸 较大的扁钢采用E节点或!节点壳单元模拟%2 形 板面板及尺寸较小的加强筋采用梁单元模拟+一般 而言%船体梁的极限强度由纵向结构决定%横向构 件并不直接承载外力%但由文献 )%!*可知横向构 件会参与模型弯矩转角曲线的卸载段%且横向构件 的缺失可能会导致纵向构件提前出现屈曲失效+为 保证计算结果与实际情况更接近%所建立的!档强 框模型包括强框架等横向结构+
初始缺陷及焊接残余应力对极限强度有一定的影 响%但变形量大小的确定及加载方式较复杂%为重点 关注结构在联合载荷下的极限强度响应%暂不考虑初 始缺陷的影响+,0-+货舱区域结构由 *'!"(*'!#( p#!<等!种不同钢材组成%在计算时一般将材料 假定为理想弹塑性%主要材料参数如表#所示+
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中 国 海 洋 平 台!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷!第"期
图>!/7*T 舱段B档强框有限元模型
表@!模型材料主要参数
材料 弹性模量
屈服强度
泊松比
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