浮式生产储油轮y型船侧结构耐撞性研究

浮式生产储油轮y型船侧结构耐撞性研究

传统的平均规划式油储油轮（rco）侧结构采用大型油船的船侧结构。由于cnco通常在海上工作，经过处理的原油通过海上运输。如果乍得船靠近设定的ro，则与设定的ro发生碰撞。事故可能导致严重的结构破坏、原油泄漏、生命和财产损失以及污染。因此，结构性能应尽可能能承受浙东南船只的意外碰撞，而不会导致原油泄漏。一方面,FPSO应满足国际船舶界对于大型油船船侧结构必须能够承受0.5万t供应船的船首以2m/s航速正撞船侧而不发生油品泄漏的要求;同时我国海洋石油生产部门也提出FPSO船侧结构能承受5～6万t级穿梭油船1m/s航速正撞不发生油品泄漏.为了确保FPSO在极端状态下的安全,近年来设计人员不断提出新型船侧结构,以提高FPSO及大型油船船侧的耐撞性.Kitamura研究了7种不同材料和布置形式的船侧结构,Sano等提出了一种新的软连接方式替换现有的船侧纵骨与肋框的连接形式.最近,一种新型的船侧结构设计方案——Y型船侧结构被应用到内河中小型船舶的船侧结构设计中.Y型桁材结构是造船行业近几年的最新技术发明,将船侧平台的一半改成为两块分叉的板,形成Y型构造.Y型桁材也曾被应用到船底结构设计研究中,以提高船底结构的耐撞性.Naar等利用非线性有限元技术对Y型结构提高船底结构的耐撞性进行了研究,发现采用Y型设计的船底结构能够显著提高船舶的耐撞性.Naar认为和传统结构设计相比,由于Y型结构降低了肋板和纵桁相交处的结构刚度,使Y型结构起到了一个缓冲并延迟撞击载荷的效果,使船内底板破裂时撞击载荷能够传递到一个较大的结构范围内,从而提高搁浅时的最大碰撞力,并且碰撞力在达到最大值后仍能够维持一个相对较长的稳定阶段,这有助于船底结构吸收更多的能量.因此Y型船底结构能够显著提升船底结构的耐撞性.此外,Amdahl等进行的一组搁浅试验证实了Y型船底结构的耐撞性特性.Y型结构设计的一个不足之处是比传统结构设计使用更多材料.故应根据有限的质量增加能否显著提高耐撞性来评价Y型结构的优劣.与船底结构相比,船侧结构的双壳间距较大,船侧结构承受的撞击载荷是大吨位穿梭油船的球鼻首撞击,它与船底搁浅或触礁载荷作用方式与范围不同,故Y型船侧结构能否显著提高FPSO的船侧耐撞性,需要专门的分析研究.本文利用非线性有限元程序MSC.DYTRAN,通过数值仿真法,分别模拟采用Y型船侧结构和传统型船侧结构的30万tFPSO被5万t穿梭油船船首正向撞击的场景,获得船侧结构损伤、碰撞力-撞深曲线以及船侧能量吸收-撞深曲线等,并将两种船侧结构的计算结果进行比较,分析Y型船侧结构与传统型船侧结构的耐撞性差异.文中所采用的Y型船侧结构设计由中国船舶工业第708研究所赵耕贤教授提出.1fpso船侧结构的数值仿真非线性有限元数值仿真技术是分析船舶碰撞的理想工具,它考虑了结构大变形、动力响应和材料的弹塑性,离散结构的碰撞运动方程可以归结为Mx¨(t)=P(x,t)−F(x,x˙)−cx˙(1)Μx¨(t)=Ρ(x,t)-F(x,x˙)-cx˙(1)船舶碰撞属于强非线性过程,因此碰撞方程用显式积分算法获得其时域解,可以大量节省存贮空间和计算机时.MSC公司的DYTRAN程序是代表性的程序,十分适合用于结构碰撞计算.在运用此程序进行碰撞仿真计算时,采用恰当的积分时间步长Δt,合理地定义FPSO船侧结构与穿梭油船船首表面的接触范围和船侧结构自身因屈曲崩溃发生的自接触,对于计算准确性与效率至关重要.船舶碰撞计算中正确定义材料特性十分重要,因为船用钢材在高应变率下具有明显的动力特性,所以在材料模型中要计及应变率敏感性的影响.本文中所采用的材料模型为理想弹塑性模型,如图1所示.图中,ε为应变,σ为应力,E为弹性模量,σ0为初始屈服应力,εf为材料断裂真实应变.对于船用低碳钢,E=210GPa,σ0=235MPa,εf=0.35.由应变率引起的材料屈服极限的提高用Cowper-Symonds材料应变率敏感性模型表达:σ′eσe=1+(ε˙D)1/q(2)σ′eσe=1+(ε˙D)1/q(2)式中:σ′e为在塑性应变率ε˙ε˙时的动屈服应力;σe为相应的静屈服应力;D和q为常数,对于不同材料,参数D和q在较大范围内变动,对于船用低碳钢,一般取D=40.4s-1,q=5.2水td型船侧结构方案本文研究的被撞船为某30万t浅水超大型FPSO,总长LOA=288m;垂线间长LBP=281m;船宽B=65m;型深D=29.4m;满载吃水Td=22m,其传统型与Y型船侧结构方案由中国船舶工业第708研究所设计.传统设计的船侧结构内壳至外板之间宽度为3.38m,设3道水平桁,如图2(a)所示.采用Y型设计的船侧结构双壳间距保持不变,为3.38m,3道水平平台的外侧一半改为倾角为±60°的双斜板形成Y型水平桁,如图2(b)所示.撞击船为5万t穿梭油轮,排水量Δ=5.2万t;型深D=22.40m;吃水T=12.20m.穿梭油船模型及油船球鼻船首放大图如图3所示.3撞击场景下船侧的垂向位置.发生碰撞时两船在垂向上的相对位置由双方的吃水状态决定,撞击点的垂向位置选取为船侧的两个典型位置,即撞击点在舷侧水平纵桁上和撞击点在2道纵桁间.撞击点纵向位置位于FPSO中部舱段中央的2道强肋框的正中间.碰撞场景共4组,如图4所示.4y型船侧的碰撞强度运用MSC.DYTRAN程序模拟计算5万t穿梭油船以6m/s的航速正撞FPSO传统型和Y型船侧的场景,计算到内壳发生破裂时为止.计算结果用碰撞力-撞深曲线和能量吸收-撞深曲线来表达,如图5、6所示,并总结于表1、2中.根据以上数值仿真分析结果,可以得出:(1)撞击点位于舷侧纵桁时,Y型与传统型船侧内壳破裂时刻以及该时刻对应的船侧撞深相近,但是Y型船侧吸收的能量要高于传统型船侧18%,而且Y型船侧的最大碰撞力比传统型船侧大29%;撞击点在2道纵桁之间时,Y型船侧不但内壳破裂时刻要比传统型船侧晚,而且相应的撞深和船侧吸能也大,总能量吸收增加27%,最大碰撞力增加9%.这说明,不管撞击点在纵桁上还是在纵桁之间,Y型船侧要比传统型船侧能够承受更大的结构损伤和吸收更多的能量后才会出现内壳破裂,其碰撞阻力也更大,所以,Y型船侧在大能量碰撞中具有更好的耐撞性.(2)船首撞击点在舷侧纵桁时导致的内壳破裂要早于撞击点在舷侧纵桁之间的情况,船侧总吸能和最大碰撞力相对来说也较小.这表明当碰撞船侧结构较强位置时,由于作用力更易传递到内壳,在内壳结构连接处产生高应力,从而导致其较早出现破裂现象.如果碰撞点在舷侧纵桁之间,由于船侧外板的膜拉伸变形将产生很大的阻力,碰撞接触面积会随着撞深的增加而进一步增大,从而使更多的相邻构件参与结构变形,因此整个船侧碰撞力增大,能量吸收增加,从而延迟内壳的破裂.(3)船侧构件的能量吸收主要取决于参加变形构件的数量和变形程度.外板总是第一重要的吸能构件,水平桁是第二位的吸能构件.在上述两种碰撞位置,Y型水平桁的吸能比例比平板型水平桁分别提高了69%和140%.5传统型船侧碰撞力较好,能量吸收性能好(1)在低能碰撞时,大型FPSO舷侧损伤轻微,Y型与传统型船侧结构的抗撞性差别不明显,在高能碰撞时两者有明显差异;(2)相同情况下,Y型船侧碰撞力始终要高于相应的传统型船侧碰撞力,表现出更好的防撞效果.传统型和Y型船侧结构在碰撞过程中,其外板、内壳