fpso管结构设计与支撑结构分析

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1、FPSO管结构设计及支捧结构分析0前言O．1论文的工程背景Belanak油田位于WestNatuna海的印度尼西亚水域。油田设施包括2座平台(WellheadPlatform)、1条FPSO(FloatingProductionStorageandOfnoading)、1个OOB(OilOffloadingBuoy)带有CALM(CATENARYanchorLegMooring)和l条FSO(FloatingStorageandOffioading)。海域水深90m。油用位置见图0．1所示。图O-1Belana

2、k油田位置其FPSO具有浮式、矩形驳船设计等特点。船体采用双舷壳、单底结构形式。并通过锚泊系统定位于工作区域而不随环境变化。FPSO船体主尺度LENGTHO．ALENGTHSCANTLING(97％LWL)BREADTHMLD．DEPTHMLD．DRAUGHTSCANTLINGCAMBERfMAINDECK)DISPLACEMENT4285．000m267．073m58．000m26．000m18．000m1．000mapprox．255，000tonnesFPSO管结构设计及支捧结构分析FPSO的甲板布置着许

3、多输油管线。这些管线由管路支架支撑并固定在船体的主甲板上。由于管线承受着诸如流体静、动载荷，风载荷，温度载荷和甲板变形等载荷的作用。这些载荷通过支架传递，因此，合理的布置甲板管路支架是一个关键的技术问题。FPSO上的火炬塔通常也是由管结构构成，也应对其构件进行结构的动静力分析，以符合结构设计的要求。0．2研究的现状对于管结构、管支架等分析主要取决于载荷的分析。管道系统研究是从最简单的管线和牛顿流体研究起。研究牛顿流体在直管线内流动产生的摩擦阻力，得到层流和湍流的沿程阻力系数的计算公式；研究牛顿流体在边界变化剧烈

4、的局部区域的能量耗散．求得局部阻力系数。研究管道流体的速度分布和压力分布，计算某些脉动量，分析管线的振动特性。研究管道系统的外部载荷，比如外部的流体载荷、管道自身的温度热载荷和其他外部环境导致的管道支撑结构移动而产生的外载荷。管道系统研究还包括诸如防腐、减阻和热传导等方面的内容。o．3研究的内容(1)(2)●(3)(4)管路支架设计方法研究；管路支架载荷研究；风载荷温度载荷流体压力载荷甲板变形载荷管结构的振动分析；管系支架的有限元分析。FPSO管结构设计及支撑结构分析1有限单元法的基本原理1．1有限单元法的基本

5、概念有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域一一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法。随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。矗出(a)(b)图1．1齿轮有限元分析模型和等应力线图图1．1是有限元法对直齿圆柱齿轮的轮齿进行的变形和应力分析，其中图(a)为有限元模型，图(b)是最大切应力等应力线图。在图(a)中采用八节点四边形等参单元把齿轮划分成网格，这些网格称为单元。网格间相互联接的交点称为节点，网格与网格的交界

6、线称为边界．显然，图中的节点数是有限的，单元数目也是有限的，所以称为“有限单元”。这就是“有限元”一词的出来。有限元分析计算的思路和作法可归纳如下：(1)物体的离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，如图1．1(a)，这一步称作单元剖分。离散后单元之间利用节点相互连结起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的器要和计算精度而定(一般情况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大)。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的有众多单元

7、以一定方式连结成的离散物体。这样，有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符台。(2)单元特性分析1)选择位移模型在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知置时称为力法：取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知6FP$O管结构设计及支撑结构分析量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来

8、表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们就将位移表示^为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如Y=Fa．蚍，其中口，是待定系数，矿，是与坐标系有关的某种函数。2)分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中