黄涣青　石科良　吴猛　朱继欣　童星

摘    要：本文以某改装300 000 DWT级FPSO为研究对象，采用全船有限元方法对其总纵强度进行研究。本计算采用SESAM软件，通过建立全船有限元模型、水动力模型、应用三维辐射-绕射理论进行波浪载荷预报，依照规范要求确定设计波。在此基础上对全船結构在相应设计波载荷作用下的强度和变形进行分析。

关键词：FPSO;全船有限元方法;设计波法;总纵强度

中图分类号：U661.43                               文献标识码：A

Abstract：  In this paper， the whole ship finite element method is used to analyze the longitudinal strength of a  300 000 DWT FPSO conversion. The finite element structure model and hydrodynamic model of the whole ship are established by SESAM software. The wave load is predicted according to the 3D radiation-diffraction theory， and the design wave parameters of different loads are determined according to the rules. On this basis， the strength and deformation of the whole ship structure under its design wave load are obtained.

Key words： FPSO;  Whole ship finite element method;  Design wave method;  Longitudinal strength

1     引言

FPSO作为海上油田开发工程的核心，集油气处理、发热供热、人员居住、原油产品储存与外输于一体。

将VLCC改装成FPSO，与VLCC相比，FPSO不同之处在于其主甲板上安装了大量与原油加工相关的生产工艺模块，以及外输系统与系泊系统等。这些新增的模块和系统的重量分布，将会对FPSO船体结构总纵强度产生影响。为了保证改装后的FPSO强度满足要求，必须提出可行的改装方案。因此，需要分析经改装后的FPSO总纵强度。

2     FPSO总纵强度分析

采用有限元方法分析FPSO船体总纵强度，可参照美国船级社FPI规范[1]（以下简称《规范》）的有关要求。建立全船有限元模型和质量模型，以及三维湿表面模型，通过单位规则波诱导船体载荷求得传递函数;并根据实际运营海域的波浪散布图、波浪谱，求出波浪诱导船体的运动、相应的波浪载荷长期预报值;结合不同装载工况下（满载、压载、隔舱装载等）对应的波浪载荷控制参数[2]（垂向及水平波浪弯矩、货舱与上部模块重心处的加速度及波浪剪力等），确定相应的等效设计波参数（浪向、波高、频率和相位）[3]。

随后，将对应的设计波载荷作用在船体上。此时模型同时存在两类载荷平衡，即自身重力与静水浮力的平衡、船体动压力与惯性力之间的平衡;对模型施加三节点边界条件以消除刚体位移，计算各工况下对应的应力，校核其屈服及屈曲强度等[4][5]。

3    实例分析

以某改装300 000 DWT级FPSO为例，进行总纵强度分析。该FPSO主尺度如下：

3.1   模型建立

3.1.1 全船模型

运用SESAM GeniE对FPSO进行全船有限元建模，具体范围为：纵向从尾封板至首柱;横向从左舷至右舷;垂向从船底基线至主甲板，包括首部首楼及舷墙区域。

具体建模要求可参考《规范》5A-3-4-5的要求：网格大小约1个纵骨间距;主要板材和桁材腹板用壳单元模拟;扶强材和桁材面板用梁单元模拟。具体有限元模型，如图1所示。

值得注意的是，FPSO由VLCC经过改装而成，在主甲板上新增的各个模块对主甲板的强度造成了极大的影响。为了保证FPSO主甲板能够承受各个模块的重量，本FPSO改装方案在主甲板新增了多个加强构件，主要包括新增甲板纵桁、加大原纵骨和强横梁的尺寸等。具体加强模型如图2。

3.1.2  质量模型

为了确保分析准确性，质量模型必须能够反映实际的沿船长方向上的质量分布情况，且最终的重心位置和重量分布应和《稳性计算书》的计算工况一致。具体可通过调整不同货舱段的密度以及在模块位置、大型设备位置处设置质量点等形式来实现，使重量分布接近实际情况。主船体（空船）重量重心如表1所示，包含模块的质量模型如图3所示。

3.1.3边界约束条件

通过在船体的首端顶部节点、首端底部节点、尾端底部节点施加线位移约束，以达到消除刚体位移的目的。边界条件，如表2所列。

3.2   水动力载荷计算

3.2.1水动力计算模型

由于SESAM WADAM模块以三维绕射和辐射理论作为波浪载荷计算的基础，首先建立用于水动力计算的面元模型，将船体外壳在HydroD模块中划分为有限元网格。水动力模型，如图4所示。

参考《规范》的要求，需要计算出作用在船体的典型波长（周期）的规则波。波浪周期的范围取4～40s、步长间隔取1 s，总共选取37个频率的规则波。

考虑浪向角对船体运动及诱导载荷的影响，选取12个浪向角、间隔為30o。

3.2.2 载荷传递函数（RAO）

应用SESAM WADAM模块进行传递函数的计算，并应用 Postresp模块进行传递函数的结果显示。

压载工况下12个浪向作用的船体垂荡运动传递函数，如图5所示;压载工况下不同截面对应的波浪诱导垂直弯矩传递函数，如图6所示。

3.2.3  长期预报及设计波

长期预报的参考海况采用了目标海域的波浪散布图，结合三维绕射和辐射理论，求得由波浪诱导的船体运动、载荷传递函数。采用Weibull分布（二参数）对长期分布进行拟合，对船中截面的主要载荷参数进行长期预报（如垂向弯矩等），超越概率为10-8，对应的设计寿命约为25年。

设计波波幅为aw：

式中：LTR为主要载荷参数的长期预报极值，本文选取百年一遇的预报极值;

RAOmax为主要载荷参数传递函数的最大幅值。

计算得到压载工况的设计波：波浪周期为14 s;浪向角为180o;波幅为11 m;相位角为137o（中拱）/-43o（中垂）。

3. 3  总纵强度计算

根据3.2.3计算所得的计算波参数，输入等效设计波对主船体进行水动力、载荷传递及强度计算，得到FPSO各构件对应的最大位移和应力。值得注意的是，需通过SESAM Cutres模块对主要监测截面应力计算值进行积分得到设计波剪力弯矩值，并将该值与SESAM Postresp中长期预报的设计波剪力弯矩值进行对比，两者结果应吻合，证明载荷传递良好。

根据指南[2]4.3，总重力和总浮力的差值应≤1%，重心与浮心纵坐标的差值应≤0.1%倍船长。通过读取支点垂向支反力，计算精度可满足要求。

3.3.1 强度及位移计算

许用应力衡准参考5A-3-4-13.3的要求，低碳钢许用应力为235 MPa、HT315钢许用应力为299 MPa、HT355钢许用应力为322 MPa。

压载工况下的最大位移为0.52 m，在Xtract模块下显示位移云图，见图8;货舱区横向构件最大Von Mises应力，如图9、图10;货舱区域的应力水平汇总，见表3。

分析计算结果可知，由于受到总纵强度及舱内不对称压力的同时作用，在货舱区域横舱壁水平桁趾端与纵舱壁相交处产生了较高应力。

3.3.2 屈曲强度评估

屈曲强度评估参考《规范》5A-3-4规定，对货舱区域的船底板、内底板、底纵骨等纵向受压构件进行了屈曲强度的校核。具体板格双向压应力和剪应力，可通过PULS模块将应力数据提取并计算（限于篇幅，计算结果略）。

4     结论与展望

根据《规范》，应用全船有限元方法对改装300000 DWT级FPSO总纵强度进行分析，得出以下结论：

（1） 建立FPSO有限元模型和水动力模型，获取甲板、外板和纵舱壁等主要纵向结构在典型工况下的总纵强度应力。采用整船模型比舱段模型能更加真实的模拟船体的应力分布和变形;

（2） 设计时应注意水平桁趾端和纵舱壁相交处，可采用“软趾”的节点形式降低应力集中现象;

（3） 由于船中部油气处理模块重量大、重心位置较高，与主船体连接的结构在全船总纵弯曲的作用下，端部的肘板连接位置将产生局部高应力，这些区域还需进行局部强度校核。

参考文献

[1] American Bureau of Shipping，RULES FOR BUILDING AND CLASSING FLOATING PRODUCTION INSTALLATIONS [M]. February， 2016.

[2] GUIDE FOR SAFEHULL-DYNAMIC LOADING APPROACH FORVESSELS， [M]，October，2015

[3] 张延昌，罗广恩，王自力，尹群. 大型滚装船弯扭强度整船有限元分析[J].舰船科学技术，2005（6）：39-43.

[4] 段雷杰，张少雄，杨洋. 基于设计波法的 FPSO 全船有限元分析[J].船海工程，2017（2）：48-53.

[5] 严萍，石科良. 1750TEU 集装箱船全船弯扭强度分析[J].舰船科学技术，2018 （6）：13-15.