有限元与有限体积法在FPSO吊机设计和建造中的耦合分析
Dae-Suk Hana, Sung-Won Yooa, Hyun-Sik Yoonb, Myung-Hyun Kima, Sang-Hyun Kimc, Jae-Myung Leea*
（a船舶与海洋工程系，釜山国立大学，釜山609-735， b先进船舶工程技术研究中心，釜山国立大学，釜山609-735， c船舶与海洋工程系，仁荷大学，韩国仁川402-751）
摘 要
本研究的目的是使用计算机仿真计算的方法建立一个近海平台（FPSO；浮式，生产，储存和卸油）起重机的系统化的设计和平台性能评估流程。提出了考虑非线性环境影响下适用于确保可靠设计的有限元法和有限体积法的耦合分析。为了研究动力载荷的影响，研究了具有100吨提升能力的海洋平台起重机的边界条件。运用有限体积法，使用计算流体动力学软件，FLUENT，进行了一系列的分析。使用商业软件，MSC／NASTRAN，在有限元分析中，考虑了起重机的重量，最大起重荷载，计算风压和边界条件，如由于FPSO极限侧倾运动引起的甲板的倾斜。在统一的计算环境下，分析了结构变形，应力分布，以及疲劳寿命估计。提出了适用于FPSO的设计及建造中评估设计概念有效性的一种先进的流程。
关键词：FPSO吊机设计、有限元法、有限体积法、结构完整性、寿命评估
1.引言
起重机广泛应用于港口和大型船舶上，用于装卸集装箱和散装物料。它们在建筑工程中也很常见。在这一领域的最新进展包括自动机器人起重机安装流程和工作空间的要求自动生成方法。由于该起重机的性能的增强，这些进步提高了起重机的作业效率。由于近年对海洋资源开发的工业需求，这些陆上起重机的应用领域已经扩展到海上平台如FPSO（浮式生产储卸装置）。
众所周知，对于海上平台的设计或建造，应考虑操作负载的详细信息。然而，用于建立包括原位操作条件的设计概念的自动的或系统的过程还不可用。在这项研究中，FPSO吊机的自动设计流程以及结构安全评价是基于数值分析结合有限元法（有限元方法）和FVM（有限体积法）
吊机在FPSO上的提升操作比在固定（岸上）平台上的起重操作复杂得多。由于FPSO在海洋的运动，海上起重机受到动态力和风荷载。随着海洋开采扩展到更恶劣的环境，海上起重机更长时间暴露于环境负荷。在这种情况下，海上起重机的坚固设计被认为是一个主要的挑战。
虽然众所周知，对各种工业结构的风效应的理解对于在设计寿命期间保持结构完整性是至关重要的，但设计目的研究活动仅限于某些典型领域。
Haddara和Soares提出了一种计算船舶和海上结构风荷载的实用方法。他们提出了一个用于估计船舶风力系数的表达式，并将其与实验结果进行比较。基于CFD（计算流体动力学）模拟的风荷载识别的其他先进研究包括Huang等人的CFD技术的发展。Blocken et al和Diego等，提出了一种可靠的数值处理技术，其中考虑了对结构的各种风效应。
FPSO在海上的运动是一个非常重要的因素，有助于对起重机的静态和动态响应。即使起重机不在运行状况下，FPSO的运动引起的动态载荷也对起重机造成影响。因此，一个准确的理解和处理方式应纳入FPSO起重机的设计活动中。在这个研究领域，Wits提出了在起重作业中，起重机的载荷参数激励的影响。他描述了由于船舶的运动参数激励的结果，起重机的可操作性的影响。本文提出了一种利用耦合有限体积法和有限元法计算风荷载，静荷载、动荷载和FPSO极端的横摇运动。此外，提出了使用热点应力方法呈现焊接臂架结构的生命周期的疲劳评估的方法。
2.模型描述
2.1 FPSO起重机模型
在海上起重机设计阶段，一个重要的任务是计算起重机上的环境载荷。
一个具有高达100吨的起重能力的海上起重机用来展示设计的过程。图1为这个起重机的结构形式。本起重机用来装卸FPSO和来访船舶之间的设备。设计活动的最终目的是保证起重机在设计过程中的安全运行。
图2.1 FPSO海上起重机示例
这种离岸起重机有两个取决于升降位置的操作选择。主起重载荷作用在从底座结构的中心30米处的主臂头上，最大提升能力为100吨。第二起升操作为从底座45米处的辅助吊杆头，起重能力为25吨，如图2.1所示。本文考虑的起重环境为主起升操作。
2.2 FPSO起重机的设计
最简单的方法来确定的设计方案（例如，形状，尺寸），可能是通过使用CAD（计算机辅助设计）工具的几何建模。目前的CAD技术使设计人员能在生产制造过程之前验证目标结构的真实形状。一旦得到一个可靠的设计理念，CAE（计算机辅助工程）仿真计算便能在预期的载荷条件下得到的结构响应。
这些计算机上的计算软件可以提高设计或评估工作的效率，因为CAD模型可以直接纳入在每一个连续的阶段。图2显示了本研究中使用的FPSO起重机的设计原型。
图2.2 海上起重机三维CAD模型
3. 自动化设计
3.1 计算程序
图3显示了基于计算模拟的海上起重机设计的全过程。使用构造为CAD数据，所需的结构响应评价连续进行。考虑到操作条件（即风对海洋的影响），准确识别风荷载至关重要。
图3.1 海上起重机安全评估流程
为了量化风荷载的实际大小，进行了有限体积法模拟仿真。众所周知，有限体积法是计算作用于刚性结构外表面的流体或流体压力的一个很有用的方法。在这方面，精确地计算了由风造成的那部分载荷。值得注意的是，为了减少计算消耗的时间，有限体积法的分析采用的是理想的离散网格。由于局部理想化对整体压力特性没有影响，非常详细的结构元件则可以理想化处理或直接忽视，如图3.3所示。然而，存在一些理想化的计算分析模型、结构分析模型（有限元模型）包含了起重机的原始形状。因此，得到的压力需要做相应的处理，即在局部理想化处理的区域，有限体积法模型和有限元模型的压力分布需做对应处理。
为了将计算出的风荷载应用于结构分析中，考虑起重机的形状，将起重机的有限元模型的表面划分为35组。从风荷载的分析结果，输入荷载数据导出为BDF文件。在每个表面组中，根据表面组的面积，风力被总计和转换为作用压力。图3.2显示转换风力的有限元模型。
总之，为了简化整个分析过程，假定以下条件：
bull;风荷载由FVM使用本地理想化的模型识别基于给定速度下的稳态流问题。
bull;起重机表面的压力重新分配到静态通过相关的映射过程。几何对应关系两种型号之间的风荷载（FEM和FVM）应该是通过适当的映射程序确保。
bull;使用选择的分析方法，进行结构分析验证设计理念。变形，应力分布以及作为结构的结果获得疲劳寿命估计响应。
bull;值得注意的是所有上述程序都在一致的计算环境中以系统的方式执行的，如图3.1所示。
图3.2 风力（左）施加于有限元模型（右）
3.2 有限体积法模型
作为整个过程的第一步，进行了CFD（计算流体动力学）分析。商业CFD软件FLUENT6.2.16，用于识别风压力。目前的研究认为，一个三维的FPSO起重机问题的稳态不可压缩粘性流为假设简化物理问题。在本研究中描述的稳定不可压缩粘性流场的控制方程的连续性和雷诺兹平均纳维-斯托克斯方程：
（3.1）
（3.2）
其中，是笛卡尔坐标系，为相应的速度分量，为密度，为粘度，为压力。同时，在式（2）中为雷诺应力项已采用现实模型计算。标准模型作为湍流模型，由于其相较于标准模型，预测能力有所改进，而且还可以解决非常接近表面的大量复杂的流动问题。该模型确保湍流正应力总是真实的，这保证了复杂的湍流流动情况的物理一致性。有了这个方案，雷诺兹平均纳维-斯托克斯方程可以与输运方程的湍流动能和耗散率建立联系进行数值求解。该方程是基于有限元法的二阶空间离散方法的简化算法求解。
图3.3 原始（左列）和简化（右列）模型（a）和零件（b，c）
如前所述，图3.3显示了原始和简化模型。值得注意的是，简化的部分将不会有一个显著的影响总风压的起重机。这种简化可能导致过高的估计总风荷载。但这将有助于一个保守的设计，从而保证结构的安全。
图3.4 简化起重机型号尺寸（左：偏航角90°，右：偏航角0°）
图3.4显示了起重机模型的详细形状和迎风面积。该简化模型起重机迎风面积在theta;= 0°和theta;=90°偏航角的定义。在每一种情况下，迎风面积是3.43.9平方米、78.8平方米。
图3.5 计算域与边界条件
图3.5显示了计算域的大小和每个边界上施加的条件。无滑移边界条件施加在起重机表面，而对称条件被设置为远场边界。均匀流与自由流或风速和低湍流强度和对流边界条件分别施加在流入和流出边界。
3.3 有限元模型
图3.6显示了海面起重机的有限元模型。运用了有限元（有限元分析）检测在给定的设计载荷下结构的响应。起重机有限元模型包含59574个节点和62622壳单元。相较于有限体积法的模型，有限元模型没有任何简化处理，更加贴切地反映了海上起重机的结构形式。
图3.6 海面起重机有限元模型
边界条件如图3.7所示。作为一个正常的操作，起重负载被认为是和底部的基座部分被固定边界条件约束。起重载荷在底座上移动，距离为30米，距离为100米。
图3.7 吊装荷载与固定节点
图3.8给出了风荷载分布示意图。在这项研究中，风荷载的方向是根据平面XZ法线方向假定的如图3.8所示，因为这给所有的起重机结构最严重的负载效应假设。值得注意的是，假定的风向要能起到获得一个保守的设计方案的作用。
图3.8 风载荷方向
关于起重机结构材料，选用了两种材料，如表3.1所示。
表3.1 材料属性
|
Material |
Young#39;s modulus |
Yield strength |
Tensile strength |
Density |
Description |
|
|
posten80 |
207.1GPa |
680MPa |
785MPa |
7850kg/m3 |
For most crane member |
|
|
EH36 |
140GPa |
355MPa |
490MPa |
7850kg/m3 |
For inner boom flange |
|
3.4 分析方案
基于作用的各种载荷的共同影响，如风荷载，起重载荷和海上起重机由于波浪导致的倾斜，确定了一种分析方案。因为提升荷载可能因为波浪引起的FPSO运动表现出明显的差异，对船舶的横摇运动幅度，即滚动倾斜角度，如图3.9所示，也被选为影响因素。
图3.9 FPSO横摇运动
通常情况下，考虑到海上的附加载荷，动态因子也被施加在结构计算中。将动态因子乘以静态负载能力，以确保海上起重机的安全。
在这项研究中，根据DNV（Det Norske Veritas）对起重设备认证规则，动态因子确定为1.8。起重机参数的方向分为横向和纵向三个条件。这里的纵向表示起重机臂架的长度方向与FPSO纵向方向相同。横向表示起重机吊臂的方向与FPSO的纵向方向相互交叉。图3.10介绍了海上起重机的方向。
图3.10 海上起重机和FPSO的运动方向（6个自由度）
表3.2显示选定的分析方案。
表3.2 分析方案
|
Case no. |
Gravity |
Lifting load |
Dynamic factor |
Wind loads |
Rolling inclination |
Direction of offshore crane |
|
Case1 |
0 |
- |
||||
|
Case2 |
0 |
100tons |
- |
- |
- |
- |
|
Case3 |
0 |
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