CN105279312A - 基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，该分析方法主要包括模块载荷分析、模块工况分析和模块规范校核，模块载荷分析中的载荷情况包括永久载荷，可变载荷，环境载荷以及变形；模块工况分析中的工况包括基本工况和组合工况，基本工况如上所述模块载荷情况，组合工况按DNV规范进行组合；模块规范校核：包括对模块中的梁在GeniE建模软件中进行校核。本发明通过对FPSO上部模块结构进行多角度、多方面进行分析建模，并提供了一种行快速、方便的组合工况方法，从而减少了分析过程的劳动强度，提高了工作效率。

Description

基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法

技术领域

本发明涉及一种船舶设计结构分析方法，具体涉及一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法。

背景技术

FPS0上部模块作为海上油气生产处理和公用设施的基地，在整个油田的开发作用至关重要。上部模块的设计和规划方案受油田的规模、油田的物性参数、生产操作要求、所在海域的海况条件、建造施工场地和安装设施能力等多种因素的影响，所以FPS0上部模块工艺流程、设备总体布置方案、安全设计和结构方案成为设计研究的主要方面。FPSO上部模块一般包括油气处理系统、公用设施、动力和仪表控制系统等。根据FPSO上部模块的功能，工艺流程和安全要求，一般将上部模块分为危险区和安全区，对于原油处理系统的设备布置在危险区，公用系统设备、配电系统和电站设备布置在安全区。

FPSO在全部服役寿命期内，不间断地受到海浪作用且维修难度大，因此，对结构强度包括疲劳控制提出了较为严格的要求。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中的不足，提出一种完整、全面、快速的基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法。

技术方案：本发明所述的一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，包括模块载荷分析、模块工况分析和模块规范校核：

模块载荷分析中的载荷情况包括永久载荷，可变载荷，环境载荷以及变形；

永久载荷包括模块结构重量和设备重量，在整个设计过程这些重量都要和重量控制报告保持一致，且所有5吨以上设备都需要按实际位置建在模型中；

可变载荷主要是甲板载荷，甲板载荷的模块静载荷q_s的模型为：

，

式中，Fs为结构重量，Fe为设备重量，n为重量大于5吨的设备数量，K为折减系数，Pv为甲板载荷，m为总的甲板层数，A为减去设备所占面积后的甲板面积；

环境载荷包括船体运动产生的惯性力、风载和冰雪载荷，FPSO的运动参数采用水池的模型试验和水动力软件进行数值预报，船体的运动主要考虑船体的横摇、纵摇和垂荡；

变形，对船舶变形由如下公式进行估算：

，

式中，为横剖面1和2处的变形，M为垂向弯矩，Z为剖面模数，l₁为剖面1和2之间的距离；E为偶发载荷，包括爆炸载荷、考虑破舱后船体倾斜、10000年环境载荷；

模块工况分析中的工况包括基本工况和组合工况，基本工况如上所述模块载荷情况，组合工况按DNV规范进行组合，组合方法为：

（1）首先在EXCEL表格中将要组合的工况复制到基本工况的后一列，假设要组合的工况的列数为AF；

（2）在上述要组合的工况的后一列AG输入公式=AFa&"=LoadCombination();"，其中a为组合工况的第一行所在的行数；

（3）将步骤（2）的公式复制到要组合的工况的后一列AG的每一行中；

（4）在列AG的后一列AH中输入公式=$AFa&".addCase(LC1_Selfweight__Z,"&La&");"，其中a为组合工况的第一行所在的行数，并将该公式复制到列AH中的每一行中即可将基本工况的系数包含在组合工况内，后面基本工况系数可按同样的方法来处理；

（5）在Excel中按此方法完成后生成GeniE的命令脚本文件，将此命令直接复制到GeniE即可完成工况组合；

模块规范校核：包括对模块中的梁在GeniE建模软件中进行校核。

进一步的，所述组合工况包含SLS、ULS、ALS、FLS状态，按0°到360°每45°一个合成工况进行组合。

进一步的，所述模块中的梁包括工字钢和圆管、方管。

进一步的，所述圆管按规范NorsokN-004来校核，其它梁按Eurocode3或AISCLRFD来进行校核。

进一步的，所述模块规范校核还包括对模块中连接处的节点强度和疲劳进行校核。

有益效果：本发明通过对FPSO上部模块结构进行多角度、多方面进行分析建模，并提供了一种行快速、方便的组合工况方法，从而减少了分析过程的劳动强度，提高了工作效率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，包括模块载荷分析、模块工况分析和模块规范校核：

模块载荷分析中的载荷情况包括永久载荷，可变载荷，环境载荷以及变形；

永久载荷包括模块结构重量和设备重量，在整个设计过程这些重量都要和重量控制报告保持一致，且所有5吨以上设备都需要按实际位置建在模型中；

可变载荷主要是甲板载荷，甲板载荷的模块静载荷q_s的模型为：

，

式中，Fs为结构重量，Fe为设备重量，n为重量大于5吨的设备数量，K为折减系数，Pv为甲板载荷，m为总的甲板层数，A为减去设备所占面积后的甲板面积；

环境载荷包括船体运动产生的惯性力、风载和冰雪载荷，FPSO的运动参数采用水池的模型试验和水动力软件进行数值预报，船体的运动主要考虑船体的横摇、纵摇和垂荡；

变形，对船舶变形由如下公式进行估算：

，

式中，为横剖面1和2处的变形，M为垂向弯矩，Z为剖面模数，l₁为剖面1和2之间的距离；E为偶发载荷，包括爆炸载荷、考虑破舱后船体倾斜、10000年环境载荷；

模块工况分析中的工况包括基本工况和组合工况，基本工况如上所述模块载荷情况，组合工况包含SLS、ULS、ALS、FLS状态，按0°到360°每45°一个合成工况进行组合，组合工况按DNV规范进行组合，组合方法为：

（1）首先在EXCEL表格中将要组合的工况复制到基本工况的后一列，假设要组合的工况的列数为AF；

（2）在上述要组合的工况的后一列AG输入公式=AFa&"=LoadCombination();"，其中a为组合工况的第一行所在的行数；

（3）将步骤（2）的公式复制到要组合的工况的后一列AG的每一行中；

（4）在列AG的后一列AH中输入公式=$AFa&".addCase(LC1_Selfweight__Z,"&La&");"，其中a为组合工况的第一行所在的行数，并将该公式复制到列AH中的每一行中即可将基本工况的系数包含在组合工况内，后面基本工况系数可按同样的方法来处理；

（5）在Excel中按此方法完成后生成GeniE的命令脚本文件，将此命令直接复制到GeniE即可完成工况组合；

模块规范校核：模块主要由梁组成，包括工字钢和圆管、方管等，圆管应按规范NorsokN-004来校核，其它梁按Eurocode3或AISCLRFD来进行校核。GeniE软件完成模块计算后可按不同规范对模块杆件进行规范校核。

除杆件外，连接处的节点强度和疲劳也需要校核，尤其是模块支撑处节点的校核。下面分几个方面来进行讨论。

1.疲劳计算

对FPSO上部结构进行疲劳评价，首先得作好结构所受荷载情况的分析，其承受的主要动荷载为船体运动所产生的加速度和由船体变形产生的附加位移荷载。疲劳可采用一定的疲劳累积损伤模型对各种工况的疲劳损伤值进行累加，并利用S—N曲线来计算结构的疲劳寿命。规范对多级荷载的损伤值进行Miner线性累积，最后得到总的损伤值，并作为评估的依据：

式中，为疲劳工况应力范围，，为N<10⁷时S-N曲线参数，，为N〉10⁷时S-N曲线参数，为不完全伽玛函数，为完全伽玛函数。

对于结构中所有构件，一般可在工况组合中取最大应力幅值作为校核应力，这样可以得到初步校核的结果，作为快速校核的方式，这种处理是比较保守的。一般情况下，大部分应力幅值不大的构件都能通过，但对一些关键构件，特别是结构根部与船体相连的部位来说，很容易出现计算不能通过的情况。此时，应对所有工况进一步叠加和组合，并按一定的假设概率进行分类。

2.变形对模块及支撑的影响

根据船舶结构力学的基本理论主船体变形与甲板模块之间的关系是,主船体处于中拱状态,甲板受拉伸长受到甲板模块下部结构的约束,则变形使得甲板模块支撑结构的内部产生了显著的初始应力。通过设置两支墩支撑，一排支墩与平面板架焊接在一起一排支墩与平面板架之间可以相互滑动，在滑动端放松了模块支撑结构与模块平面板架之间纵向和垂向约束（忽略纵向摩擦力的影响），使得上甲板的总体变形的影响仅体现在模块支撑结构上。

3.吊装对模块结构设计影响

模块的安装主要采用两种设施：一是采用起重船完成模块的安装；二是利用船厂的龙门吊进行吊装。模块在设计时，一般下面结构强，刚度大。而吊装时吊点在模块的最上面一层，模块最上层的刚度较小，考虑到吊装分析中的较高安全系数，模块结构容易出现不满足吊装工况的情况。这时可在设计时考虑增加模块上面刚度，借助临时独立公用的吊装框架，模块结构与框架之间采用多点的抬吊，这样使得需要为吊装额外增加的结构减少。

随着海上油气田开采的迅速发展，FPS0不仅是我国海洋油气田开发的主流方式，而且也是世界海洋石油开发工程的重要设施。不断完善和优化FPSO的分析设计，规划FPSO的发展方向，成为当今FPS0研究的主要课题。本发明所述的上部模块结构分析中，所要考虑的工况较为复杂，如何方便模拟所有工况，减轻工作量成为优化很关键因素。

本发明通过对FPSO上部模块结构进行多角度、多方面进行分析建模，并提供了一种行快速、方便的组合工况方法，从而减少了分析过程的劳动强度，提高了工作效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，其特征在于：包括模块载荷分析、模块工况分析和模块规范校核：

模块载荷分析中的载荷情况包括永久载荷，可变载荷，环境载荷以及变形；

永久载荷包括模块结构重量和设备重量，在整个设计过程这些重量都要和重量控制报告保持一致，且所有5吨以上设备都需要按实际位置建在模型中；

可变载荷主要是甲板载荷，甲板载荷的模块静载荷q_s的模型为：

，

式中，Fs为结构重量，Fe为设备重量，n为重量大于5吨的设备数量，K为折减系数，Pv为甲板载荷，m为总的甲板层数，A为减去设备所占面积后的甲板面积；

环境载荷包括船体运动产生的惯性力、风载和冰雪载荷，FPSO的运动参数采用水池的模型试验和水动力软件进行数值预报，船体的运动主要考虑船体的横摇、纵摇和垂荡；

变形，对船舶变形由如下公式进行估算：

，

式中，为横剖面1和2处的变形，M为垂向弯矩，Z为剖面模数，l₁为剖面1和2之间的距离；E为偶发载荷，包括爆炸载荷、考虑破舱后船体倾斜、10000年环境载荷；

模块工况分析中的工况包括基本工况和组合工况，基本工况如上所述模块载荷情况，组合工况按DNV规范进行组合，组合方法为：

（1）首先在EXCEL表格中将要组合的工况复制到基本工况的后一列，假设要组合的工况的列数为AF；

（2）在上述要组合的工况的后一列AG输入公式=AFa&"=LoadCombination();"，其中a为组合工况的第一行所在的行数；

（3）将步骤（2）的公式复制到要组合的工况的后一列AG的每一行中；

（4）在列AG的后一列AH中输入公式=$AFa&".addCase(LC1_Selfweight__Z,"&La&");"，其中a为组合工况的第一行所在的行数，并将该公式复制到列AH中的每一行中即可将基本工况的系数包含在组合工况内，后面基本工况系数可按同样的方法来处理；

（5）在Excel中按此方法完成后生成GeniE的命令脚本文件，将此命令直接复制到GeniE即可完成工况组合；

模块规范校核：包括对模块中的梁在GeniE建模软件中进行校核。

2.根据权利要求1所述的一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，其特征在于：所述组合工况包含SLS、ULS、ALS、FLS状态，按0°到360°每45°一个合成工况进行组合。

3.根据权利要求1所述的一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，其特征在于：所述模块中的梁包括工字钢和圆管、方管。

4.根据权利要求3所述的一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，其特征在于：所述圆管按规范NorsokN-004来校核，其它梁按Eurocode3或AISCLRFD来进行校核。

5.根据权利要求1所述的一种基于GeniE建模的FPSO上部模块结构分析方法，其特征在于：所述模块规范校核还包括对模块中连接处的节点强度和疲劳进行校核。