钻井船月池区舱段有限元典型设计工况_张鹏飞.pdf
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1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷,2023 年第 2 期 70 钻井船月池区舱段有限元典型设计工况 钻井船月池区舱段有限元典型设计工况 张鹏飞,唐旭东,陈冠宇,康 哲,谢 昊,黄鎏炜(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)摘 要:摘 要:现阶段各船级社规范对钻井船舱段有限元法的载荷选取与装载工况制定并未形成统一意见,这对结构设计造成较大的困扰。针对这一问题,对某型钻井船月池区舱段有限元分析方法与载荷选取思路进行阐述,同时对设计装载工况开展大量对比计算,通过结果分析得出一套典型装载工况与舷外水压力方向组合方式供参考。对
2、比船体梁理论法与全船有限元法的计算结果,对舱段典型工况选取的必要性进行分析,以避免过分保守导致结构经济性下降。关键词:关键词:钻井船;月池角隅;舱段有限元;典型设计工况 中图分类号:中图分类号:U671.99 文献标志码:文献标志码:A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.09 Typical Design Condition of Moonpool Cabin Finite Element Analysis of Drillship ZHANG Pengfei,TANG Xudong,CHEN Guanyu,KANG Zhe,XIE Hao,HUANG Liuwei(
3、Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:According to methods and load conditions of cabin finite element analysis of drillship have not come to an agreement in CLASS regulations at present,the causes troubles for designers in structure design is produced.Based on
4、 the study of cabin finite element analysis of moonpool area,the design process and loads combination are to be expounded.Diverse design conditions are also carried out in analyzing the structure strength in order to obtain certain typical design conditions.The results of hull beam theory method are
5、 compared with that of the whole ship finite element method to check the necessity of typical design conditions,which is to avoid waste of structural steel.Key words:drillship;moonpool corner;cabin finite element;typical design condition 0 引言引言 钻井船与钻井平台是开采深海油气资源的必要海工船型,相较于钻井平台,钻井船凭借其便利性优势在全球市场中占有一定的
6、地位。随着人类逐渐向深远海方向进军,伴随着钻井作业深度不断增加,对钻井船型抵抗恶劣海况的需求也越发强烈。通常,钻井船中部设置月池区及钻台,主船体开敞的月池导致横、纵向结构不连续进而引发局部应力集中现象发生,而钻台区域由于钻井设备作业载荷较大且较为密集,两者合二为一成为钻井船型结构设计的难点之一。舱段有限元分析是船体结构强度计算常用的校核方式,通过精准模拟内、外部载荷对船体横、纵向构件进行校核。对钻井船月池区域进行舱段有限元校核,不仅能够模拟航行、风暴自存工况,又能通过加载钻井作业载荷,实现作业工况的校核。但是,目前各船级社规范对于钻井船舱段有限元计算载荷的选取与工况制定并不统一,如:挪威船级社
7、(Det Norske Veritas,DNV)规范中有基于Nauticus截面进行舱段计算的功能,也有装载工况与浪向角的组合说明,但对于复杂的月池区及钻台结构,实际执行起来却十分困难;美国船级社(American Bureau of Shipping,ABS)、法国船级社(Bureau Veritas,BV)及中国船级社(China Classification Society,CCS)相关规范中对钻井船未有明确要求,设计人员往往需借鉴其他船型经验完成钻井船工况制定,并没有形成统一方法。针对此问题,本文借助某型钻井船设计经验,针对装载工况展开大量研究,并对结果进行分析,总结得出典型装载工况类
8、型;再将舱段校核结果与全船总强度计算及船体梁 收稿日期:2021-12-21;修回日期:2022-06-25 作者简介:张鹏飞(1986),男,硕士、高级工程师。研究方向:船舶结构设计。张鹏飞等,钻井船月池区舱段有限元典型设计工况 71 理论计算所得结果进行对比,分析典型装载工况是否接近真实,避免因过度校核导致结构余量偏大,造成钢料浪费。图1为某型钻井船布置图。图 1 某型钻井船总体布局示意图 1 舱段有限元计算分析舱段有限元计算分析 舱段有限元法的特点在于使目标区域同时承受极端海况条件下的动载荷与极端装载条件下的静载荷,模拟船体在最极端载荷影响下的结构承载能力,通过制定多种极端装载工况对目标
9、区域船体结构进行校核。1.1 模型概述模型概述 取钻井船月池段及前后两相邻舱段进行建模分析,采用 MSC.Patran 建立三舱段有限元模型,采用“1+1+1”3 个主舱段1长度进行建模,消除边界约束对结构应力分布的影响。本船布置 2 道月池纵舱壁及2 道内壳纵舱壁贯穿全船首尾,将船体沿船宽方向分成 5 个舱室(中舱、中左舱、中右舱、左边舱及右边舱),其中边舱均为压载舱;艉部分段布置隔水管堆场和袋装品库重载区等;中部月池分段布置机械处所及燃油舱;艏部分段布置燃油舱等。舱段有限元模型见图 2,月池段作为强度分析区域,艏艉段作为过渡区域,因而不关注其应力水平。模型中的骨材、桁材面板及支柱采用bea
10、m单元模拟,其余结构均采用shell单元模拟;模型中网格尺度采用骨材间距ss(s 为扶强材间距);月池角隅区域是该船型重点关注区域,采用精细网格 tt(t 为模拟区域的板材厚度);本船主船体结构采用高强度钢,屈服极限355 MPa。图 2 三舱段有限元模型 有限元模型边界条件同中国船级社规范2-3(简称“规范”)中对双壳油船结构强度直接计算的要求,取端部剖面中和轴处的独立点刚性关联。边界条件具体施加见表1。1.2 设计载荷设计载荷 根据规范2-3对结构直接强度计算的要求,考虑以下形式载荷。表1 边界条件施加 端面位置 线位移约束 角位移约束x y z x yz后端面独立点 固定 固定 MT端面
11、 相关 相关 相关前端面独立点 固定 固定 MT中纵与内底交界点 固定 端面 相关 相关 相关注:MT为扭矩加载位置;“”表示不施加约束(自由)。1)船体运动加速度 通过规范2-3计算得出主甲板月池井口中心位置的纵向加速度AL、横向加速度 AT及垂向加速度 AV,与模型试验及运动性能分析得到的考虑重力加速度分量的水平线加速度数值进行对比,取包络值,并在模型中加载。2)甲板设计载荷 根据该船作业需要及规范2-3要求制定甲板设计载荷,以均布载荷形式施加至模型。隔水管堆场、袋装品库、机械处所、钻台面、立根盒区的均布载荷分别为 80 kN/m2、40 kN/m2、20 kN/m2、30 kN/m2和2
12、70 kN/m2。3)舷外水压力 海水静压力:取满载吃水9.2 m、压载吃水6.2 m,假定中间装载吃水7.7 m。海水动压力:按规范2-3中对等效设计波法的要求,海水动压力按迎浪、随浪、横浪及斜浪等多种方向角度区分,各浪向压力分布值根据各国船级社规范取值略有不同。该船同时入籍挪威船级社(DNV)和中国船级社(CCS),参考双船级社规范中较大值进行加载。根据规范2-3公式计算结果,迎浪(HS)及随浪(FS)状态下的水压力载荷分布相同,但极值不同;横浪状态下水压力分布分为水线处水压力最大状态(BS1)及极限横摇状态(BS2);斜浪状态水压力分为最大扭矩状态(OS1)及最大纵摇状态(OS2);各状
13、态下的压力分布需同时配合加速度方向及船体梁载荷,进而模拟设计波。舷外水压力分布示意见图3。4)月池围壁波面升高 因月池区与海水相通,基于三维势流理论分析月池内部海水波面升高运动4,通过对水动力进行预报得到月池围壁在各浪向状态下的波面升高幅值,根据幅值得到水压力,并配合浪向共同作用于月池围壁。再结合模型试验数据分析发现:浪向在 45135范围内时,所得波面升高幅值较大,在接近横浪状态下达到峰值,在趋近迎浪或随浪状态下,逐渐降低。换算得出相应压力值并施加于月池围壁上,假定压力值与波浪载荷浪向相同叠加。船舶设计、船舶结构和性能 72 图3 静水/波浪压力示意图 5)液舱压力 仅考虑空舱或满舱的状态,
14、舱段范围内个别舱室液体密度可按业主需求适当调整。本船取值如下:油和水的密度均取1.025 t/m3;盐水密度取2.2 t/m3;泥浆密度取2.1 t/m3;高浓泥浆密度取2.5 t/m3。6)船体梁载荷 各项船体梁载荷5是根据船舶在典型装载稳性计算中得到的静水弯矩和剪力极值制定结构设计包络线,见图 4(a)和图 4(b);同时制定极限扭转工况,如艏部左舷满载、艉部右舷满载,保证船体中部月池区扭矩达到极值,进而得到静水扭矩包络值,见图4(c)。通过波浪载荷预报波浪垂向弯矩、剪力、水平弯矩、剪力及扭矩并制定设计载荷包络线,见图 4(d)图4(f)。图 4 设计载荷包络值示意图 采用Patran 二
15、次开发插件在模型中加载船体梁载荷,是通过在模型各强框位置施加节点力的方式进行自动加载进而调整弯矩、剪力及扭矩使之达到设计目标值。本舱段计算以月池开孔处井口中心位置为基准,调载后在软件中读取该位置处的各项船体梁载荷,进而确认是否已达到目标值。作用在模型中的船体梁载荷包络值为 VV11V2MMC M=+(1)VV12V2FFC F=+(2)H3H2MC M=(3)H4H2FC F=(4)0152TTC T=+(5)式(1)(5)中:MV为设计总垂向弯矩;MV1为垂向静水弯矩包络值;MV2为垂向波浪弯矩包络值;FV为设计总垂向剪力;FV1为垂向静水剪力包络值;FV2为垂向波浪剪力包络值;MH为设计总
16、水平弯矩;MH2为水平波浪弯矩包络值;FH为设计总水平剪力;FH2为水平波浪剪力包络值;T0为设计总扭矩;T1为静水扭矩包络值;T2为波浪扭矩包络值;C1C5为船体梁载荷修正系数,取值见表2。(a)静水压力载荷(b)迎浪、随浪状态下水压力载荷(c)横浪状态下水压力载荷(d)斜浪状态下水压力载荷(a)静水弯矩(b)静水剪力(c)静水扭矩(d)波浪弯矩(e)波浪剪力(f)波浪扭矩 张鹏飞等,钻井船月池区舱段有限元典型设计工况 73 表 2 船体梁载荷修正系数 载荷类型 C1 C2 C3 C4C5最大垂向波浪弯矩工况 1.00 0.75 0.45 0.300.30最大垂向波浪剪力工况 0.65 1.
17、00 0.30 0.300.45最大水平波浪弯矩工况 0.30 0.30 1.00 0.300.30最大水平波浪剪力工况 0.15 0.15 0.60 1.000.30最大扭矩弯矩工况 0.15 0.30 0.30 0.151.00 载荷修正系数首先通过静水装载计算和波浪载荷预报得到。以波浪弯矩为例,当某一装载工况下波浪弯矩达到极值时,统计该装载状态下的波浪剪力与扭矩值,再与结构设计剪力和扭矩包络线进行对比,得到该状态下的相应折减系数;结合挪威船级社规范6对钻井船型舱段有限元计算中的要求,将各等效设计波状态下的载荷折减系数进行对比,取包络值。1.3 设计工况设计工况 通过对油船、浮式生产储油装
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