CN111625980A - 一种fpso结构疲劳寿命计算方法 - Google Patents

一种fpso结构疲劳寿命计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，考虑FPSO作业海域的海洋环境条件，通过计算得到FPSO单点结构所受载荷的长期分布曲线，将此长期分布曲线离散成循环次数‑载荷表，该循环次数‑载荷表包括若干组确定性的疲劳工况，同时根据单点结构有限元模型计算出各个载荷在疲劳结构处的载荷应力比，通过线性的方法结合循环次数‑载荷表和载荷应力比得出单点每组循环次数对应的热点应力及对应的疲劳累计损伤，最后对每组疲劳工况的疲劳累计损伤进行累加得到总疲劳累计损伤，最后得出疲劳寿命。本发明提供的方法可以更加全面评估单点结构物在作业海况下的疲劳寿命，此方法对于FPSO单点结构的疲劳寿命分析及计算具有较强的实际工程价值。

Description

一种FPSO结构疲劳寿命计算方法
技术领域
本发明涉及一种适用于分析与评估包括但不限于FPSO单点结构在各种海域及环境条件下结构疲劳寿命计算方法，属于海洋工程领域。
背景技术
单点系泊系统由于适应性较好，往往为深水FPSO所青睐而得以采用，FPSO船体可以在外载荷的作用下围绕单点旋转，从而一直与环境载荷合力处于反向。通过单点可以将海底油田井口平台中的原油输送到FPSO，也可以将FPSO上的电力、信号等输送到井口平台。因此，单点对于FPSO船体而言不仅仅只是系泊的设备，而且还是整个油田的运转中枢，而单点系统结构强度和疲劳寿命更是决定着一个油田成败的关键。
针对不同的水下系统和连接方式，国外厂商也设计了很多不同的单点形式，但是我国在单点设备设计这一方面尚缺乏成熟的经验。由于FPSO一般需要在油田区域进行30多年不解脱作业，疲劳寿命对于单点结构而言尤为关键，对于单点结构的疲劳一般采用谱疲劳或者简化疲劳这两种方法进行计算。谱疲劳虽然能够考虑海域的具体海况，但是需要考虑整合船体的频域结果和单点的时域结果，同时需要考虑船体结构，对于单点这一局部结构而言工作量较大，周期过长，并且由于单点系统与船体通常分开设计而使得计算难以实现。而简化疲劳虽然较为简单，但是由于较难考虑到内转塔单点的风标效应，无法考虑不同方向载荷的权重，导致结果准确率较差，计算结果与实际情况会出现南辕北辙的现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前用于计算FPSO单点结构疲劳寿命的谱疲劳评估方法或者简化疲劳评估方法存在分析工作量过大或不适应相关环境条件的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立FPSO的水动力湿表面模型及系泊模型；
步骤2、根据FPSO所处的环境条件，利用水动力湿表面模型及系泊模型获得FPSO结构处基于船体坐标系的所受M组载荷的长期分布曲线，M≥1；
步骤3、将M组载荷的长期分布曲线离散成N组循环次数-载荷表，N≥1，每一组循环次数-载荷表代表与当前循环次数下对应的最大M组载荷的组合，其中，循环次数为长期分布曲线的横坐标；
步骤4、对FPSO结构构建立局部有限元结构模型并施加边界条件；
步骤5、根据局部有限元结构模型计算出M组载荷在FPSO结构处的载荷应力比；
步骤6、将每组循环次数-载荷表中的M组载荷分别乘以载荷应力比并根据相关应力关系计算得到疲劳热点处的热点应力范围，得到每组循环次数-载荷表的循环次数所对应的热点应力范围；
步骤7、根据FPSO结构所处位置挑选对应的S-N曲线，根据热点应力范围得到对应的失效循环次数，从而获得N组循环次数-载荷表所对应的失效循环次数，再将N组循环次数-载荷表的循环次数除以对应的失效循环次数得到对应的疲劳累计损伤；
步骤8、依据步骤7获得的N组疲劳累计损伤得出FPSO结构处的疲劳寿命。
优选地，步骤1中，先建立FPSO的所述水动力湿表面模型，再采用悬链线方程或者梁单元结合所述水动力湿表面模型建立所述系泊模型。
优选地，采用浪向角信息与长期波浪散布图表示所述环境条件。
优选地，根据FPSO作业海域的风浪流参数计算出FPSO在该作业海域中的波浪数值与迎浪角之间的关系，获得所述浪向角信息与长期波浪散布图。
优选地，所述FPSO结构处所受载荷的长期分布曲线为基于船体坐标系的三向力Fx、Fy、Fz，三向弯矩Mx、My、Mz以及三向加速度Ax、Ay、Az这九组载荷的长期分布曲线。
优选地，所述N组循环次数-载荷表通过以下步骤获得：
步骤301、从M组载荷的长期分布曲线中提取出循环次数的上限和下限，将循环次数的上限和下限之间的区间等分成N份，得到N+1个横坐标点；
步骤302、在M组载荷的长期分布曲线中得到与N+1个横坐标点对应的N+1个纵坐标的载荷值；
步骤303、将N+1个横坐标点从大到小依次相邻相减得到对应的循环次数并选取两者对应的纵坐标的载荷值之间的大者，得到N组循环次数-载荷表。
优选地，步骤4中，所述局部有限元结构模型采用二维的四边形网格与三角形网格的板单元以及一维的BAR单元进行模拟，对所述局部有限元结构模型的模型范围进行扩大以便于计算应力载荷比，单元大小采用骨材间距大小，对于疲劳评价区域进行板厚大小网格细化，并与其他结构单元过渡。
优选地，步骤5中，所述载荷应力比的计算方法包括以下步骤：
在步骤4得到的局部有限元结构模型上依次单独施加M组载荷并得到相应的应力，将单位载荷的量级适当取大以减小应力有效位数的干扰，将得到的应力除以单位载荷即可得出所述载荷应力比。
优选地，步骤8中，所述疲劳寿命的计算方法包括以下步骤：
将N组疲劳累计损伤相加得到FPSO结构在全寿命周期内的总疲劳损伤Ddamage，将FPSO结构的设计疲劳寿命Tdesign除以总疲劳损伤Ddamage及疲劳安全系数FDF即可得到FPSO结构的疲劳寿命T，即有
Figure BDA0002512886070000031
优选地，所述步骤8之后还包括：
步骤9、将步骤8获得的所述疲劳寿命与相应的设计疲劳寿命进行比较，如果疲劳寿命小于设计疲劳寿命，则FPSO结构的疲劳寿命满足要求；否则，FPSO结构不满足要求，对当前FPSO结构重新进行设计后，再采用步骤1至步骤9所述方法进行校核。
本发明考虑FPSO作业海域的海洋环境条件，通过计算得到FPSO单点结构所受载荷的长期分布曲线，将此长期分布曲线离散成循环次数-载荷表，该循环次数-载荷表包括若干组确定性的疲劳工况，同时根据单点结构有限元模型计算出各个载荷在疲劳结构处的载荷应力比，通过线性的方法结合循环次数-载荷表和载荷应力比得出单点每组循环次数对应的热点应力及对应的疲劳累计损伤，最后对每组疲劳工况的疲劳累计损伤进行累加得到总疲劳累计损伤，最后得出疲劳寿命。本发明提供的方法可以更加全面评估单点结构物在作业海况下的疲劳寿命，此方法对于FPSO单点结构的疲劳寿命分析及计算具有较强的实际工程价值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明综合考虑了FPSO单点结构可能遇到的环境条件以及内转塔FPSO的风标效应，在计算时可以考虑不同方向载荷的权重，相比简化疲劳计算方法而言得出的结果更为准确及充分。
(2)本发明计算方法较为简洁，思路更为直接，所需要的模型范围较小，只需要局部模型即可，相比谱分析法需要全船有限元模型而言不仅有限元建模的工作量较少，计算分析时也可以节约大量时间与精力。
(3)由于单点系泊一般采用时域计算方法，船体载荷一般采用频域计算方法，两者在疲劳计算时较难结合到一起，本发明可以同时将频域的计算结果和时域的计算结果较好的结合在一起，达到一个较好的平衡。
附图说明
图1A至图1F为本发明的船体坐标系示意图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的原理为：通过得到单点结构所受载荷的长期分布曲线并将此长期分布曲线离散成若干组循环次数-载荷的疲劳工况；通过对单点结构施加单位载荷计算出各个载荷在疲劳计算点处的载荷应力比，通过线性假设将载荷应力比与每组循环次数-载荷工况中的载荷进行组合计算出每组疲劳工况对应的热点应力范围，根据S-N曲线得到相应的疲劳累计损伤，最后得出疲劳寿命用以评估该单点结构的疲劳寿命。
下面结合附图2以某一FPSO采用的BMIT形式单点结构为例，包括但不限于BMIT形式单点结构，对本发明提供的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法进行进一步的描述，具体包括以下步骤：
步骤1：建立载荷预报模型
采用板单元(shell element)建立FPSO的水动力湿表面模型。采用悬链线方程或者梁单元结合水动力湿表面模型建立系泊模型。
步骤2：波浪载荷计算
根据FPSO作业海域的风浪流参数计算出FPSO在该作业海域中的波浪数值与迎浪角之间的关系，获得浪向角信息与长期波浪散布图。根据浪向角信息与长期波浪散布图，利用水动力湿表面模型及系泊模型对FPSO船体进行水动力分析及锚泊分析。从分析中可以得到单点结构计算点处基于如图1A至图1F所示的船体坐标系的：三向力Fx、Fy、Fz，三向弯矩Mx、My、Mz以及三向加速度Ax、Ay、Az这九组载荷的长期分布曲线。
步骤3：将步骤2得到的长期分布曲线离散
对于步骤2计算得到的载荷的长期分布曲线，以其横坐标为循环次数、纵坐标为载荷大小，从这九组载荷的长期分布曲线中提取出循环次数的上限和下限，将循环次数的上限和下限之间的区间等分成50份，得到51个横坐标点。并在九组载荷的长期分布曲线中得到与51个横坐标点对应的51个纵坐标的载荷值。将51个横坐标点从大到小依次相邻相减得到对应的循环次数并选取两者对应的纵坐标的载荷值之间的大者，这样得到50组循环次数-载荷表，每一组循环次数-载荷表代表该循环次数下对应的最大Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz、Ax、Ay、Az载荷组合。
步骤4：建立结构有限元模型
对单点结构建立局部有限元结构模型，该局部有限元结构模型采用二维的四边形网格与三角形网格的板单元以及一维的BAR单元进行模拟。为了便于计算应力载荷比，模型范围进行了适当扩大，单元大小采用骨材间距大小，对于疲劳评价区域进行板厚大小网格细化，并与其他结构单元过渡。最后对于局部有限元结构模型施加边界条件。
步骤5：计算载荷应力比
在步骤4得到的局部有限元结构模型上依次单独施加Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz、Ax、Ay、Az载荷并得到相应的应力。为了规避计算时单位载荷过小对于计算结果的影响，单位载荷的量级适当取大以减小应力有效位数的干扰。将得到的应力除以单位载荷即可得出载荷应力比。
步骤6：计算热点应力范围
每次提取50组循环次数-载荷表中一组，将这一组中的九个载荷分别乘以载荷应力比并根据相关应力关系计算得到疲劳热点处的热点应力范围，即可得到每组循环次数对应的热点应力范围。
步骤7：计算疲劳累计损伤
根据单点结构所处位置挑选对应的S-N曲线，根据热点应力范围可以得到对应的失效循环次数。将50组循环次数-载荷表依次计算得到对应的失效循环次数，再将循环次数除以对应的失效循环次数即可得到对应的疲劳累计损伤。
步骤8：计算疲劳寿命
将50组疲劳累计损伤相加可以得到单点结构在全寿命周期内的总疲劳损伤，将单点结构的设计疲劳寿命除以总疲劳损伤及疲劳安全系数即可得到单点结构处的疲劳寿命，疲劳安全系数可以根据单点结构处可检验程度及关键程度进行选择。
步骤9：校核
将步骤8获得到的疲劳寿命与相应的设计疲劳寿命进行比较，如果疲劳寿命小于设计疲劳寿命，说明结构疲劳寿命满足要求；否则，则说明结构疲劳寿命不满足要求，需要对该区域结构重新进行设计，再采用步骤1至步骤9的方法进行校核。

Claims (10)

1.一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立FPSO的水动力湿表面模型及系泊模型；
步骤2、根据FPSO所处的环境条件，利用水动力湿表面模型及系泊模型获得FPSO结构处基于船体坐标系的所受M组载荷的长期分布曲线，M≥1；
步骤3、将M组载荷的长期分布曲线离散成N组循环次数-载荷表，N≥1，每一组循环次数-载荷表代表与当前循环次数下对应的最大M组载荷的组合，其中，循环次数为长期分布曲线的横坐标；
步骤4、对FPSO结构构建立局部有限元结构模型并施加边界条件；
步骤5、根据局部有限元结构模型计算出M组载荷在FPSO结构处的载荷应力比；
步骤6、将每组循环次数-载荷表中的M组载荷分别乘以载荷应力比并根据相关应力关系计算得到疲劳热点处的热点应力范围，得到每组循环次数-载荷表的循环次数所对应的热点应力范围；
步骤7、根据FPSO结构所处位置挑选对应的S-N曲线，根据热点应力范围得到对应的失效循环次数，从而获得N组循环次数-载荷表所对应的失效循环次数，再将N组循环次数-载荷表的循环次数除以对应的失效循环次数得到对应的疲劳累计损伤；
步骤8、依据步骤7获得的N组疲劳累计损伤得出FPSO结构处的疲劳寿命。
2.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤1中，先建立FPSO的所述水动力湿表面模型，再采用悬链线方程或者梁单元结合所述水动力湿表面模型建立所述系泊模型。
3.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤2中，采用浪向角信息与长期波浪散布图表示所述环境条件。
4.如权利要求3所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤2中，根据FPSO作业海域的风浪流参数计算出FPSO在该作业海域中的波浪数值与迎浪角之间的关系，获得所述浪向角信息与长期波浪散布图。
5.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤2中，所述FPSO结构处所受载荷的长期分布曲线为基于船体坐标系的三向力Fx、Fy、Fz，三向弯矩Mx、My、Mz以及三向加速度Ax、Ay、Az这九组载荷的长期分布曲线。
6.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤3中，所述N组循环次数-载荷表通过以下步骤获得：
步骤301、从M组载荷的长期分布曲线中提取出循环次数的上限和下限，将循环次数的上限和下限之间的区间等分成N份，得到N+1个横坐标点；
步骤302、在M组载荷的长期分布曲线中得到与N+1个横坐标点对应的N+1个纵坐标的载荷值；
步骤303、将N+1个横坐标点从大到小依次相邻相减得到对应的循环次数并选取两者对应的纵坐标的载荷值之间的大者，得到N组循环次数-载荷表。
7.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤4中，步骤4中，所述局部有限元结构模型采用二维的四边形网格与三角形网格的板单元以及一维的BAR单元进行模拟，对所述局部有限元结构模型的模型范围进行扩大以便于计算应力载荷比，单元大小采用骨材间距大小，对于疲劳评价区域进行板厚大小网格细化，并与其他结构单元过渡。
8.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤5中，所述载荷应力比的计算方法包括以下步骤：
在步骤4得到的局部有限元结构模型上依次单独施加M组载荷并得到相应的应力，将单位载荷的量级适当取大以减小应力有效位数的干扰，将得到的应力除以单位载荷即可得出所述载荷应力比。
9.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，步骤8中，所述疲劳寿命的计算方法包括以下步骤：
将N组疲劳累计损伤相加得到FPSO结构在全寿命周期内的总疲劳损伤Ddamage，将FPSO结构的设计疲劳寿命Tdesign除以总疲劳损伤Ddamage及疲劳安全系数FDF即可得到FPSO结构的疲劳寿命T，即有
Figure FDA0002512886060000021
10.如权利要求1所述的一种FPSO结构疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤8之后还包括：
步骤9、将步骤8获得的所述疲劳寿命与相应的设计疲劳寿命进行比较，如果疲劳寿命小于设计疲劳寿命，则FPSO结构的疲劳寿命满足要求；否则，FPSO结构不满足要求，对当前FPSO结构重新进行设计后，再采用步骤1至步骤9所述方法进行校核。
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