内转塔式FPSO月池结构过压分析技术研究
发布时间：2021-09-28 12:16
以某内转塔式FPSO首部月池结构为研究对象,分别采用非线性静力和动力分析2种方法,研究月池结构在爆炸过压载荷作用下的响应规律;爆炸冲击载荷确定,采用三角形脉冲式载荷并加载,对脉冲压力上升时间进行参数化研究,归纳月池结构在冲击载荷作用下的时历变形、结构响应及能量转换关系,对比2种方法计算结果的差异,研究结论对相似工作提供借鉴和参考。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(15)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图1月池结构几何尺寸示意图Fig.1Geometryparameterofmoonpoolstructure
1月池结构介绍以某内转塔式单点系泊FPSO首部单点舱月池结构作为研究对象，建立包括第1货油舱、单点舱、首尖舱的三舱段结构模型，舱段总长L=114m，宽B=64m，高H=33m，如图1所示。月池结构材料为高强钢AH32，屈服应力315MPa，极限拉伸强度505MPa，断裂应变0.153，月池筒形结构壁厚35mm。图1月池结构几何尺寸示意图Fig.1Geometryparameterofmoonpoolstructure2非线性静力分析2.1非线性静力分析方法非线性静力分析方法通常采用牛顿迭代或者改进的牛顿迭代法，通过对结构平衡方程中的刚度矩阵转置进行迭代求解获得收敛的计算结果。该方法不考虑时间效应、惯性载荷影响，通过对结构施加单调递增载荷使结构达到给定位移或应变状态，结合材料本构模型的弹塑性特征，获得载荷变化过程中结构的非线性响应。尽管非线性静力分析方法不考虑阻尼、惯性效应，但是对于不考虑外载荷时历变化影响的弹塑性分析，其计算精度处于工程应用可接受范围内。对于本文内转塔式FPSO月池结构过压分析，采用非线性静力分析能够得到合理的求解结果。相比于动力分析方法，非线性静力分析方法的另一个计算优势是能够通过细致的载荷步加载得到结构的极限承载载荷，便于评估结构的极限过压载荷，而采用动力分析方法则需要多次的迭代试算才能实现该目的，非常费时费力。2.2非线性静力分析仿真根据图1所示月池结构几何尺寸示意图，使用Ansys软件建立非线性静力分析有限元模型，如图2所示。为准确模拟结构弹塑性性能，使用Shell181，Beam188单元建模，其中第1货油舱和艏尖舱网格尺寸按肋骨间距建模，包括甲板、外板、横框架、纵桁等，单点舱采用细网格尺寸（50mm×50mm
图3非线性静力分析载荷步加载示意图Fig.3Loadstepofnonlinearstaticanalysis2.3结果分析图4为脉动压力峰值为0.4MPa时的月池结构应力、应变响应云图。此时FPSO舱段模型的最大应力单元出现在月池筒壁结构环形加强框架上，最大等效应力为117MPa，最大等效应变为557E-6，月池内部筒壁结构最大等效应力93MPa，最大等效应变为541E-6，结构未发生塑性变形。图4非线性静力分析-0.4MPa脉动压力Fig.4Nonlinearstaticanalysis-0.4MPaimpulseload随着爆炸载荷的继续增量加载，脉动压力峰值为3.89MPa时，最大等效应力为505MPa，最大等效应变为0.153，材料单元发生塑性失效，月池结构达到最大过压载荷值，如图5所示。3非线性动力分析与非线性静力分析不同，动力分析能够考虑载荷随时间变化时结构的力学时历过程，算法上可以考虑阻尼和惯性载荷，对于爆炸、冲击类问题尤为适用。为考察内转塔式FPSO月池结构在过压爆炸载荷作用下的时历响应，采用显式动力分析方法对该过程进行模拟，对比非线性静力分析求解结果，并研究不同脉冲时间对月池结构响应的影响。3.1显式动力分析方法基于显式动力分析理论研究FPSO月池结构在过压爆炸载荷作用下的动力响应，适于处理瞬态、大变形问题。其动力平衡方程如下：Mun′′+Cu′n+Fintn=Fextn。(2)MCuFintn=KuKFextn式中：为质量矩阵；为阻尼矩阵；为位移矢量；为内力矢量，为刚度矩阵；为外力矢量。由式（2）计算可得，节点加速度矢量为：un′′=M1(FextnFintnCu′n)，(3)采用中心差分法计算节点速度矢量与位移矢量为：u?
【参考文献】：
期刊论文
[1]FPSO的特点与现状[J]. 吴家鸣. 船舶工程. 2012(S2)
[2]FPSO技术现状及发展趋势[J]. 单连政,董本京,刘猛,王芹,李莹,齐敦苏. 石油矿场机械. 2008(10)
[3]FPSO转塔系泊系统的技术特征及发展趋势[J]. 刘志刚,何炎平. 中国海洋平台. 2006(05)
[4]FPSO结构设计特点[J]. 赵耕贤. 船舶. 2002(01)
本文编号：3411882
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(15)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图1月池结构几何尺寸示意图Fig.1Geometryparameterofmoonpoolstructure
1月池结构介绍以某内转塔式单点系泊FPSO首部单点舱月池结构作为研究对象，建立包括第1货油舱、单点舱、首尖舱的三舱段结构模型，舱段总长L=114m，宽B=64m，高H=33m，如图1所示。月池结构材料为高强钢AH32，屈服应力315MPa，极限拉伸强度505MPa，断裂应变0.153，月池筒形结构壁厚35mm。图1月池结构几何尺寸示意图Fig.1Geometryparameterofmoonpoolstructure2非线性静力分析2.1非线性静力分析方法非线性静力分析方法通常采用牛顿迭代或者改进的牛顿迭代法，通过对结构平衡方程中的刚度矩阵转置进行迭代求解获得收敛的计算结果。该方法不考虑时间效应、惯性载荷影响，通过对结构施加单调递增载荷使结构达到给定位移或应变状态，结合材料本构模型的弹塑性特征，获得载荷变化过程中结构的非线性响应。尽管非线性静力分析方法不考虑阻尼、惯性效应，但是对于不考虑外载荷时历变化影响的弹塑性分析，其计算精度处于工程应用可接受范围内。对于本文内转塔式FPSO月池结构过压分析，采用非线性静力分析能够得到合理的求解结果。相比于动力分析方法，非线性静力分析方法的另一个计算优势是能够通过细致的载荷步加载得到结构的极限承载载荷，便于评估结构的极限过压载荷，而采用动力分析方法则需要多次的迭代试算才能实现该目的，非常费时费力。2.2非线性静力分析仿真根据图1所示月池结构几何尺寸示意图，使用Ansys软件建立非线性静力分析有限元模型，如图2所示。为准确模拟结构弹塑性性能，使用Shell181，Beam188单元建模，其中第1货油舱和艏尖舱网格尺寸按肋骨间距建模，包括甲板、外板、横框架、纵桁等，单点舱采用细网格尺寸（50mm×50mm
图3非线性静力分析载荷步加载示意图Fig.3Loadstepofnonlinearstaticanalysis2.3结果分析图4为脉动压力峰值为0.4MPa时的月池结构应力、应变响应云图。此时FPSO舱段模型的最大应力单元出现在月池筒壁结构环形加强框架上，最大等效应力为117MPa，最大等效应变为557E-6，月池内部筒壁结构最大等效应力93MPa，最大等效应变为541E-6，结构未发生塑性变形。图4非线性静力分析-0.4MPa脉动压力Fig.4Nonlinearstaticanalysis-0.4MPaimpulseload随着爆炸载荷的继续增量加载，脉动压力峰值为3.89MPa时，最大等效应力为505MPa，最大等效应变为0.153，材料单元发生塑性失效，月池结构达到最大过压载荷值，如图5所示。3非线性动力分析与非线性静力分析不同，动力分析能够考虑载荷随时间变化时结构的力学时历过程，算法上可以考虑阻尼和惯性载荷，对于爆炸、冲击类问题尤为适用。为考察内转塔式FPSO月池结构在过压爆炸载荷作用下的时历响应，采用显式动力分析方法对该过程进行模拟，对比非线性静力分析求解结果，并研究不同脉冲时间对月池结构响应的影响。3.1显式动力分析方法基于显式动力分析理论研究FPSO月池结构在过压爆炸载荷作用下的动力响应，适于处理瞬态、大变形问题。其动力平衡方程如下：Mun′′+Cu′n+Fintn=Fextn。(2)MCuFintn=KuKFextn式中：为质量矩阵；为阻尼矩阵；为位移矢量；为内力矢量，为刚度矩阵；为外力矢量。由式（2）计算可得，节点加速度矢量为：un′′=M1(FextnFintnCu′n)，(3)采用中心差分法计算节点速度矢量与位移矢量为：u?
【参考文献】：
期刊论文
[1]FPSO的特点与现状[J]. 吴家鸣. 船舶工程. 2012(S2)
[2]FPSO技术现状及发展趋势[J]. 单连政,董本京,刘猛,王芹,李莹,齐敦苏. 石油矿场机械. 2008(10)
[3]FPSO转塔系泊系统的技术特征及发展趋势[J]. 刘志刚,何炎平. 中国海洋平台. 2006(05)
[4]FPSO结构设计特点[J]. 赵耕贤. 船舶. 2002(01)
本文编号：3411882
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3411882.html
