梁炳錢 李軍

摘 要：本文介紹了ABS規(guī)范對FPSO救生艇甲板的設(shè)計載荷及設(shè)計工況的要求，并結(jié)合有限元分析，對救生艇甲板結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行校核。

關(guān)鍵詞：FPSO；救生艇甲板；有限元分析

Structural Analysis of the FPSO Lifeboat Platform

LIANG Bingqian， LI Jun

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper describes the requirements of design loads and load cases of FPSO lifeboat platform according to the rules of ABS， and then analyzes the structural strength with finite element method.

Key words： FPSO； Lifeboat platform； Finite element method analysis

1 概述

隨著海洋平臺向更深的海域發(fā)展，海洋結(jié)構(gòu)物對結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性要求越來越高，且對保護(hù)工作人員生命安全的設(shè)備設(shè)施要求更為嚴(yán)格。因此，平臺或船舶救生艇甲板的結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。艇甲板結(jié)構(gòu)除了受到設(shè)備載荷及甲板水壓力外，還有環(huán)境載荷等。尤其是救生艇甲板上的各種設(shè)備載荷和環(huán)境載荷，對平臺甲板結(jié)構(gòu)的布置及設(shè)計有著直接的影響，本文根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1][2][3]的要求，對“伊利亞貝拉”FPSO的救生艇甲板結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行有限元分析及校核。

2 FPSO救生艇甲板結(jié)構(gòu)基本情況及有限元模型

2.1 基本情況

本文分析的救生艇甲板為“伊利亞貝拉”FPSO的上建部分，鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)。救生艇甲板上有4艘重力倒臂式救生艇，分別布置于艇甲板的左右舷；1艘快速救助艇，布置于左舷的尾端。此外，還有兩個潛水站，布置在右舷的尾端，結(jié)構(gòu)布置見圖1。單個救生艇重14.00 t（含艇架），救助艇重4.69t（含艇架），單個潛水站重8.00 t，以上各設(shè)備重量均為人員滿載工況。艇甲板結(jié)構(gòu)由強橫梁與甲板縱桁形成強框架，且盡量在滿足整體結(jié)構(gòu)受力均勻性基礎(chǔ)上，布置強構(gòu)件于在救生艇、救助艇等設(shè)備基座處，以減少額外的加強構(gòu)件。

救生艇甲板主要參數(shù)：

甲板寬 54.25m

甲板高（距下一層甲板） ～7.00m

救生艇數(shù) 4艘

救助艇數(shù) 1艘

潛水站數(shù) 2個

單個救生艇容納人數(shù) 60人

救助艇容納人數(shù) 6人

2.2 有限元模型

2.2.1 模型

根據(jù)規(guī)范要求，本文以救生艇甲板及其下部支撐結(jié)構(gòu)作為分析對象，進(jìn)行有限元計算，對救生艇甲板結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行校核。

有限元計算采用大型通用有限元分析軟件MSC.PATRAN進(jìn)行。船長方向為X軸，正方向由船尾指向船首；船寬方向為Y軸，正方向由船中指向左舷；型深方向為Z軸，正方向由船底指向甲板；模型范圍縱向為Fr12～Fr54，橫向取整個艇甲板寬度，垂向范圍自下一層甲板至艇甲板，包括艇甲板下的圍壁結(jié)構(gòu)。

圖1 艇甲板結(jié)構(gòu)布置示意圖

2.2.2 單元

該艇甲板的有限元模型網(wǎng)格沿X軸取1/4肋距長度，沿Y軸取1/4縱骨間距，沿Z軸取1/4縱骨間距。甲板板、艙壁板、舷側(cè)外板、強橫梁及縱桁等強構(gòu)件的腹板均采用板單元模擬，面板、橫梁、縱骨及艙壁扶強材等弱構(gòu)件用梁單元模擬，并考慮偏心。救生艇甲板的三維有限元模型如圖2所示。

圖2 救生艇甲板結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2.3 材料

本救生艇甲板結(jié)構(gòu)材料采用普通碳素鋼，屈服強度為 f y =235 MPa。

2.2.4 邊界條件

救生艇甲板與生活樓連接處以及舷側(cè)板、下圍壁底部與下一層甲板連接處為剛性固定，施加剛性固定約束，即UX=UY=UZ=0，RX=RY=RZ=0，如圖3所示。

圖3 艇甲板結(jié)構(gòu)的邊界條件

2.3 載荷及工況

2.3.1 結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重

艇甲板結(jié)構(gòu)自重通過施加慣性加速度的方法實現(xiàn)，加速度取為9810mm/s2。救生艇、救助艇及潛水站分別用質(zhì)量單元模擬，質(zhì)量點位于其重心處，并通過MPC與艇甲板結(jié)構(gòu)設(shè)備基座加強構(gòu)件連接。

2.3.2 甲板壓頭

按照規(guī)范要求，施加在救生艇甲板上的水壓頭為1.68 m，即0.0168 N/mm2。

2.3.3 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷是由船舶運動產(chǎn)生，通過慣性加速度施加。根據(jù)規(guī)范要求，分為兩種情況：一種是百年一遇海況，其慣性加速度為：A= [aXA，aYA，aZA] = [740，5640，4120] mm/s2；另外一種是每年一遇海況，其慣性加速度為：B= [aXB，aYB，aZB] = [770，4560，2490] mm/s2。（注：由于救生艇甲板每年一遇海況B環(huán)境載荷是參照了直升機平臺的環(huán)境載荷，所以環(huán)境載荷B中 要比A中 要大，此取值偏于安全）。

2.3.4 橫傾與縱傾

考慮救生艇的使用情況，根據(jù)規(guī)范的要求，需要考慮船舶在環(huán)境載荷（B）下，橫傾20°及縱傾10°兩種計算工況。

2.3.5 管系載荷

管系載荷是指救生艇甲板下懸掛的管系，由于船舶的運動產(chǎn)生的慣性載荷（已考慮管內(nèi)液體晃蕩），管系載荷先傳遞到管支架上，然后傳遞到連接在甲板的支撐點上。

2.3.6 計算工況

載荷組合工況，如表1所列。

表1 載荷組合工況

注：（1） 表中LC*（A）表示環(huán)境載荷為A，LC*（B）表示環(huán)境載荷為B。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 強度衡準(zhǔn)

按照規(guī)范要求，在環(huán)境載荷（A）下各工況板單元的許用應(yīng)力為0.9 fy =211.5 N/mm2，板單元許用剪切應(yīng)力為0.53 fy =124.6 N/mm2，梁單元軸向許用應(yīng)力為0.8 fy=188.0 N/mm2；在環(huán)境載荷（B）下各工況板單元的許用應(yīng)力為0.7 fy=164.5 N/mm2，板單元許用剪切應(yīng)力為0.4 fy=94.0 N/mm2，梁單元軸向許用應(yīng)力為0.6 fy=141.0 N/mm2。

3.2 各個工況計算應(yīng)力匯總

按照表1所列工況進(jìn)行計算，對各工況的計算結(jié)果進(jìn)行匯總，具體見表2。

表2 各工況計算結(jié)果匯總

由表2可知，板單元相當(dāng)應(yīng)力均小于164.5 N/mm2，板的剪切應(yīng)力均小于94.0 N/mm2，梁單元軸向應(yīng)力均小于141.0 N/mm2，故本救生艇甲板各項應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

最大板單元應(yīng)力云圖如圖4所示，最大剪切應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 艇甲板結(jié)構(gòu)最大板單元應(yīng)力云圖

圖5 艇甲板結(jié)構(gòu)最大板單元剪切應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

通過計算結(jié)果，可知本救生艇甲板結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

此外，該救生艇甲板在橫傾狀態(tài)時，其應(yīng)力最大，究其原因主要是救生艇等設(shè)備均為懸吊狀態(tài)，重心較高，在橫傾狀態(tài)下再加上環(huán)境載荷的作用，在基座處產(chǎn)生的彎矩也最大，故應(yīng)力也最大。

按規(guī)范要求，F(xiàn)PSO等海工結(jié)構(gòu)物上艇甲板結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷較復(fù)雜，設(shè)計工況較多，本文采用有限元直接計算方法，對艇甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，對其結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行校核，本文也為以后的海洋結(jié)構(gòu)物艇甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] Abs， Rules For Building And Classing Steel Vessels， Part 3， 2012

[2] Abs， Rules For Building And Classing Mobile Offshore Drilling Units， Part 3，

2012

[3] Abs， Guide For Building And Classing Floating Production Installations， Part

5A， 2012