渠基順，谷家揚，韋 琪，楊 玥，張忠宇

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院, 鎮(zhèn)江 212003)

(2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院, 鎮(zhèn)江 212100)

(3.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

波浪砰擊過程涉及波浪強非線性、瞬時效應的物理特性，一直是海洋工程領域研究的熱點，嚴重的砰擊會對沖擊區(qū)域產生巨大的沖擊壓力，造成局部結構破壞[1].浮式生產儲卸油船(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)作為油田開采核心設施，需永久停駐在惡劣的海洋環(huán)境中，對FPSO的設計提出了更高的要求.圓筒形FPSO比常規(guī)船型相比擁有更大的水線面面積，較好的穩(wěn)性和水動力性能，能較好適用于深淺水各種海洋環(huán)境[2].如何準確評估砰擊載荷作用下的結構安全性，一直是困擾工程屆的難題.文獻[3]采用模型試驗方法研究半潛式鉆井平臺在不同浪向下的波浪砰擊載荷及其分布，研究表明橫浪環(huán)境波浪砰擊最為嚴重，迎浪次之，砰擊載荷在空間上具有明顯的三維特征.文獻[4]基于Fluent與Sesam分別計算了船體砰擊壓力系數(shù)和砰擊瞬時船體與波浪之間的相對速度，采用“兩步走”的方法對船首底部及外飄處的砰擊載荷進行研究.考慮砰擊載荷在船首區(qū)域的時空分布，將該載荷分區(qū)施加在船首結構表面，計算了船首結構在砰擊載荷作用下的結構響應.文獻[5]基于CFD求解器的STAR與有限元軟件ABAQUS進行交互耦合計算，對船體模型在實驗水池的砰擊現(xiàn)象進行數(shù)值仿真，分析結構砰擊壓力、結構變形及應力應變分布情況.文中以國內某FPSO工程項目為例，基于砰擊試驗包絡載荷和DNVGL規(guī)范獲取載荷時歷曲線，采用ABAQUS有限元軟件顯示動力學求解方法，對砰擊載荷作用下平臺結構響應進行評估，并研究砰擊載荷爬升時間對結構響應的影響.

1 顯示算法求解結構動力學方程

(1)

(2)

速度對時間的積分并加上在增量步開始時的位移以確定增量步結束時的位移：

(3)

式中，Δt為積分時間步長，應用顯示求解時，模型的狀態(tài)通過時間的增量發(fā)生變化，但時間增量不能超過穩(wěn)定極限.

2 計算模型及載荷

2.1 計算模型

2.1.1 有限元模型

文中研究對象為圓筒形FPSO，為周向對稱結構，考慮砰擊載荷為局部載荷，取1/8結構模型進行有限元建模.模型范圍為垂向：水線18 m至工藝甲板33 m；徑向：R31 m艙壁至外板；周向：R8(90°)艙壁至R12(135°)艙壁.為提高計算精度[6]，有限元模型全部采用板單元模擬，模型采用S4R減縮積分單元，局部采用S3R減縮積分單元過渡，厚度方向賦予5個辛普森積分點，網格尺寸約為150 mm×150 mm.外板設計時，飛濺區(qū)域距直線14.5 m至27.8 m，考慮了6 mm的腐蝕余量，有限元模型中去除.為保證計算精度，模型中所有的開孔和肘板都已精確模擬，圓筒形FPSO分段有限元模型如圖1.

圖1 FPSO局部結構有限元模型

2.1.2 彈塑性本構模型

根據(jù)DNVGL-RP-C208規(guī)范的要求，用于非線性有限元分析的材料模型應能夠反映材料在加載和卸載的非線性行為.對于金屬材料，通常使用與時間無關的彈塑性本構模型，初始屈服面條件取Mises屈服準則，強化模型采用各向同性強化模型.應力σ與應變ε關系，如圖2，另外，需要考慮板厚對材料屬性的影響，規(guī)范中給出了不同板厚所對應的材料參數(shù)，需對不同板厚的材料屬性分類定義，平臺均選用AH36高強鋼.

圖2 應變σ和應力ε關系定義

(4)

式中：C和p為常數(shù)，DHF表示材料的實際應力與應變率為0.001 s-1應力結果的比值.在工程應用中，規(guī)范建議船用鋼材采用參數(shù)C=4 000 s-1和p=5，因此文中采用規(guī)范推薦參數(shù).

2.2 計算載荷及工況

2.2.1 計算載荷

一般情況下，平臺在迎浪的狀態(tài)中最容易發(fā)生砰擊.砰擊模型試驗(圖3)在上海交通大學進行，波浪角度考慮0、30°和60°，吃水選取最大22.8 m、最小16.5 m和中間20.8、18.5 m總計4種，共計50種不同的試驗工況.選取最大砰擊載荷為南海百年一遇環(huán)境載荷，隨機波浪有義波高為13.7 m，譜峰周期為15.1 s，波浪采用Jonswap譜，流速為1.99 m/s，模型試驗數(shù)據(jù)取超越概率水平90%.采用此工況試驗載荷(包絡載荷)作為砰擊強度校核的輸入，換算到實尺度大小為438.2 kN/m2.

圖3 FPSO砰擊試驗

載荷的時歷分布參照規(guī)范DNV_GL_OTG14相關要求獲得，最大砰擊載荷(包絡載荷)作為峰值，結合圖4不同持續(xù)時間對應的載荷和峰值載荷的比值關系和圖5載荷時歷曲線的獲取方法，最終得到用于文中計算的砰擊壓力P的時歷曲線(圖6).

圖4 不同壓力水平下持續(xù)載荷和峰值載荷的比值

圖5 基于規(guī)范的載荷時歷曲線

圖6 砰擊載荷時歷曲線

圖5為文中計算的砰擊載荷時歷曲線，時間總長110 ms，計算砰擊載荷爬升時間取10 ms.

2.2.2 計算工況

根據(jù)規(guī)范[8]，載荷作用區(qū)域為矩形區(qū)域，骨材跨距不小于3 m.文中載荷作用區(qū)域是個矩形，高度方向3 m，寬度方向為外板4個骨材間距(>3 m).考慮載荷中心點分別施加在寬度和高度方向上的強框、普通框架、艙壁處，共計18個工況，如表1.工況1～9的載荷作用區(qū)域是上下兩個水平桁之間的外板區(qū)域，工況10～18載荷作用區(qū)域為水平桁上下各自1.5 m區(qū)域，如圖7.

圖7 各工況載荷施加示意圖

表1 各工況載荷中心作用區(qū)域

邊界條件：模型R8(90°)艙壁至R12(135°)艙壁采用關于艙壁對稱約束，其余邊界條件采用簡支約束，盡量減少邊界條件對計算結果的影響.

3 結果分析

3.1 失效衡準

文中衡準依據(jù)規(guī)范[9]，在規(guī)定的平板上施加面內載荷CC01和組合載荷CC02求出臨界應變值，判斷平臺結構的最大應變值是否小于臨界應變值.平板結構選用AH36鋼材，通過計算得出面內載荷模式CC01和組合載荷模式CC02對應的臨界應變衡準如表2，δx，σz分別表示x和z方向的強迫位移.對于面內整體失效衡準采用CC01計算結果，臨界失效應變取0.045；當面內塑性主應變大于0.02的區(qū)域長度小于20倍板厚的情況，臨界失效應變取0.083；對于面外局部失效衡準采用CC02計算，臨界失效應變取0.108.

文中首先采用面內整體失效衡準0.045進行評估，對于超標區(qū)域再判斷是面內局部失效和面外局部失效并校核.

3.2 計算結果

基于砰擊載荷時歷載荷，采用彈塑性本構材料模型，利用ABAQUS/Explicit顯示積分求解結構動態(tài)響應.計算結果顯示：表3為18種計算工況下FPSO結構響應剛進入塑性應變階段，沒有產生大的塑性應變，最大塑性主應變產生在工況17窗戶旁T型材面板處，大小為5.8×10-3，結構塑性主應變遠小于面內整體失效衡準4.5×10-2,平臺結構安全裕度大.這說明通過傳統(tǒng)規(guī)范設計方法獲得的結構尺寸相對比較保守，有一定的優(yōu)化空間.

從圖8應變和應力云圖可以看出：當載荷中心作用于強框時，應力最大區(qū)域集中在外板；當載荷中心作用于兩個強框中間時，應力最大區(qū)域集中在豎向T型材面板或外板上；當載荷作用于窗戶區(qū)域時，應力最大區(qū)域集中于窗框角隅處，以上區(qū)域應為設計重點評估區(qū)域.

3.3 砰擊載荷爬升時間對結構響應影響分析

砰擊載荷爬升時間對結構強度和應變均有影響，分別選取爬升時間5、10、15、20 ms，載荷峰值和載荷持續(xù)時間相同，如圖9，探究砰擊載荷爬升時間對砰擊強度和應變的影響.選取應力、應變最大工況17進行非線性結構強度計算，計算結果詳見表4.砰擊強度和應變峰值位置沒有變，均發(fā)生在外板T型材面板處，但砰擊強度和應變幅值發(fā)生變化.

圖9 不同砰擊載荷爬升時間時歷曲線

從表4可以看出，砰擊爬升5 ms工況和10 ms工況砰擊強度基本相同，相差0.14%，塑性主應變相差3%.隨著砰擊載荷爬升時間的增加，砰擊強度和塑性主應變減少幅度變大，當爬升時間達到20 ms，砰擊強度相差1.73%，塑性主應變相差20.22%.這是由于砰擊載荷爬升時間越小，材料應變率越高，高應變率使塑性變形則更集中于某一局部區(qū)域，塑性變形不均勻，這種不均勻限制了塑性變形的發(fā)展，導致材料強度提高.當載荷爬升時間超過10 ms，應力和塑性應變的增大趨勢加快，塑性變形發(fā)展的更加充分，因此，評估砰擊載荷作用下的結構響應需對載荷爬升時間做敏感性分析.

表4 不同砰擊載荷爬升時間結構響應分析結果

4 結論

(1) 基于砰擊載荷的FPSO結構非線性響應分析結果表明，結構最大塑性主應變?yōu)?.8×10-3，滿足衡準要求，且安全裕度較大.

(2) 砰擊載荷爬升時間越小，材料應變率越高，高應變率使塑性變形則更集中于某一局部區(qū)域，塑性變形不均勻，限制了塑性變形的發(fā)展，導致材料強度提高.

(3) 砰擊載荷爬升時間超過10 ms時，應力和塑性應變的增大趨勢加快，塑性變形發(fā)展的更加充分.因此，采用規(guī)范[10]推薦的方法評估砰擊載荷作用下結構響應時需對載荷爬升時間做敏感性分析.