波浪载荷作用下原油转驳船整船强度分析研究

周 宏，蔡 灵,，吴承恩

（1. 江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003；2. 南通中远海运船务工程有限公司，江苏南通 226005）

0 引言

近年来，油气资源在世界能源结构中占据越来越高的比重，而陆地油气资源的匮乏也促使人类不断向深海探索。随着海上油气资源生产规模的不断扩大，浮式生产储油船（FPSO）的数量迅速增加，对于卸油设备的输送能力也提出了更高的要求。常规的“FPSO+穿梭油轮”的作业模式，受限于复杂的作业海况，穿梭油轮的运载能力十分有限，运营成本很高，不能满足日益增长的市场需求[1]。为了打破这种困局，油气开采企业开辟出了“FPSO+CTV+普通油轮”的作业模式，利用CTV（Crude Transfer Vessel，即原油转驳船）良好的适航性，搭建起FPSO 和普通油船之间原油传输的桥梁，大大提高了原油的转运效率[2]。

作为一种新型船型，原油转驳船工作的海域环境复杂，故校验波浪载荷下整船的极限承载能力是十分必要的。本文结合某CTV 的船型特点，基于DNV 船规进行强度校核。主要思路是采用设计波法，利用sesam 对载荷参数进行长期预报得到一系列设计波，然后利用HydroD 计算一系列设计波的 波浪载荷并传递到结构模型外板上，考虑惯性力对液舱载荷的影响。最后通过结构求解器Sestra 进行静力计算，进行屈服和屈曲强度校核，评估波浪载荷下整船的强度。

1 模型建立

1.1 结构模型及质量模型

本文采用Sesam/Genie 软件建立全船结构三维有限元模型，采用实际的纵骨间距建模，筋的尺寸和板的厚度都按照实际板厚，根据稳性计算书的典型工况进行计算。计算设计载荷和边界条件以及结构强度评估都参照DNV[4]船规的规定。

质量模型采用详细有限元模型，重量较大的设备采用设备布置在实际的位置上，尾部装载系统采用质量点来模拟，质量点和船体之间采用刚性很大的梁来连接，模拟设备基座。其他重量采用分组缩放密度的方法来调整，主要分成了主船体，上建和主甲板3 个分组，调节重量重心使重量控制报告的重量和重心一致。

图1 整体模型图

图2 质量模型图

1.2 水动力模型

水动力模型包括板模型，莫里森模型。其中板模型主要用来计算波浪辐射和绕射力，采用的理想流体理论，不考虑粘性力。莫里森模型主要用来计算横摇阻尼，并加粘性载荷传递到结构模型中。

根据模型试验数据，CTV 横摇的临界阻尼比最大为9%。本文采用莫里森模型来模拟船体舭龙骨的粘性载荷，把水动力计算的粘性力传递到结构模型中去。为了不考虑浮力的影响，莫里森单元的直径取较小，莫里森单元的附加质量系数取0，拖曳力系数根据模型试验RAO 数据来调整，调整后的拖曳力系数为950。

图3 板模型图

图4 临界阻力系数图

1.3 边界条件

参照DNV 规范[4]，为了限制船体的位移，该处本文采用三点约束。约束情况如下表1 所示。

图5 边界条件示意图

2 计算载荷的施加

2.1 装载工况

根据稳性计算书，基于船舶装载手册，本文选取了4 种计算工况，具体数据如表2 所示。

表2 装载工况表

2.2 波浪载荷

2.2.1 设计波参数选取

设计波指的是在一定回复周期内达到一定设计载荷下的波浪，该方法基于最大的载荷能引起最大结构响应的假设。本文依据DNV[4]规范参考CTV的船型特点，选取了若干主要载荷参数及其对应的设计波参数，具体如表3 所示。

2.2.2 环境条件

参照DNV 规范[4]，本文该部分计算采用PM 波浪谱，考虑到此船型适用于全球大多数海区的海况条件，该处采用DNV 规定的world wide trade 波浪散布图。散布图数据如表4 所示。

表3 主要载荷参数

表4 world wide trade 波浪散布图

2.2.3 R AO 计算

根据三维频域理论，本文基于Wadam 分析模块计算船体水动力传递函数。波浪周期从3 s 计算到40 s，在峰值区域周期间隔减小来保证计算精度，得到船体在不同周期规则波下的运动响应。计算水动力载荷RAO 时，由于该处采用半宽模型，故浪向角只计算一半，即从0°到180°每间隔15°的所有浪向下6 自由度幅频响应计算结果，如表5 所示。

表5 浪向角及波浪方向设置

经过加速度振频响应分析，得到主要载荷最大时对应的浪向角，如表6 所示。

表6 主要载荷最大时对应的浪向角

通过幅频响应分析，发现CTV 在横摇状态下的横摇幅值最大，而在迎浪状态下的横摇幅值接近于零，可见横摇运动是船舶总体性能最重要的性能之一，是衡量船舶耐波性的主要参考依据。

2.2.4 波浪载荷预报

波浪载荷的预报包含长期预报和短期预报，本文考虑到CTV 的作业环境特点，选取了长期预报形式。长期预报指的是指对某一海域内一年甚至更长时间内的海浪资料进行收集统计。在实际海域内航行的船舶的装载模式以及航速航向和遭遇的海浪条件等在统计时间内都不是一成不变的，对于该统计时间内的船舶状态已不再属于平稳状态。长期预报可以简化为由一系列短期预报的组合而成，将短期预报的概率密度函数与每个海浪短期内出现的概率加权计算后即可得出长期的概率密度。长期波浪诱导运动和载荷可看作是很多短期Rayleigh 分布的总和，而对短期Rayleigh 分布取决于唯一参数。因此如果知道的长期概率密度函数，就可以预报船体运动和载荷的长期值[3]。目前，可以采用正态分布和Weibull 分布来拟合船体运动和载荷的长期响应分布：

式中：为尺度参数；m 为斜度参数；当响应值为x 时，超越概率为：

本文依据DNV 的相关规范[4]，取（10−8）概率的长期预报极值进行极限强度分析。

2.2.5 等效设计波的选取及载荷传递

基于上述步骤所选取的计算剖面及频幅响应的结果，得到了四大装载工况下的设计波的参数，其中OP100.S3 装载工况的设计波参数如下表7 所示。

表7 O P100.S3 装载工况下的设计波参数

表7 O P100.S3 装载工况下的设计波参数（续）

其余3 种装载工况下，也能得到如表7 所示的等效设计波参数。随后将水动力计算的波浪载荷通过软件的载荷传递功能传递到结构上进行及计算，载荷的种类包括结构及非结构单元的惯性载荷、外部水动压力、液舱和压载水内部的压力载荷以及粘性载荷。

3 强度校核

3.1 屈服强度评估

屈服强度评判主要基于整体强度分析得到的名义轴向应力，名义剪切应力和名义合成应力[5]。整体有限元模型应力一般都取板中面应力。在高应力集中区域，名义应力许用准则不适用。合成应力计算基于名义膜应力和剪切应力。合成应力采用中面应力表达式如下：

根据DNV 的相关规范[4]，许用等效合成应力为σe=0.95σf，当最小屈服强度为355 MPa 时，许用合成应力为：σe=0.95，σf=0.95×355=319.5 N/mm2。通过xtract 的后处理模块，将所有工况的最大合力扫描到一个工况中，可以显示出结构中最大合成应力超过许用应力的部分，主要是：

1）横向结构及主甲板的最大应力出现在艉装载基座和横向构件相连的地方，分析原因后考虑是由于艉装载系统采用质量点模拟，质量和船体之间采用梁单元连接，在梁单元和船体接触的地方会产生应力集中，此部分的强度在局部强度的校核中还要单独计算。

2）底板在尾部边界条件的地方产生了最大应力，这部分应力是由于支反力不平衡引起的，目前通过软件处理没有办法保证绝对的载荷的平衡，可采用惯量释放的方法来消除局部支反力不平衡引起的应力集中的方式来寻求改进。

图6 整体应力合成图1

图7 整体应力合成图2

3.2 屈曲强度评估

板、筋、桁材以及肋板都按照DNV 的相关屈曲设计标准的进行屈曲校核，所含的屈曲失效标准主要包括板屈曲、局部筋和桁材腹板的局部屈曲、扭转torsional/sideway 屈曲以及筋和桁材的整体屈曲、失效模式边界条件效应以及板和筋桁材的旋转约束的耦合以及由于自由变边缘加了筋可以不考虑自由边屈曲。

对于结构的屈曲分析，本文主要采用了2 种方法。

方法一：极限能力

加筋板的设计满足极限条件，故可以接受筋之间板的弹性屈曲失效模式以及考虑板、筋和桁材的载荷分布。

方法二：屈曲能力

加筋板设计满足屈曲强度条件，这就意味着板和筋的弹性屈曲失效不可接受，因此不考虑屈曲的载荷重新分布。

考虑到2 种方法不同的失效形式，本文给出了其对应的适用范围，如表8 所示。

根据DNV[4]船规对于船体各个部分进行屈曲强度评估，考虑腐蚀引起的板厚的折减，对不同构件采用相对应的屈曲分析方法，利用软件输出结果，得出了以下结论：

表8 屈曲校核方法

1）由于模拟方法的缺陷，在艉装载设备基座附近产生了很大的应力集中，这部分结构的强度需要在局部强度的计算中重新校核；

2）就全船的应力分布情况来看，除了部分开口角隅处出现了应力集中的情况，其他结构的应力都处于比较低的水平，这也侧面反映了该船型的整体强度不存在大的问题，局部应力集中的情况可以参照规范采用局部加厚或者结构改变的方式解决。

图8 腐蚀余量扣除量模型示意图

图9 屈曲校核结果（横向构件）

图10 屈曲校核结果（主甲板）

4 结论

本文利用SESAM 软件对该型船的结构及水动力模型进行了建立，对CTV 进行了频域水动力分析，得到了各个主要载荷参数的幅频响应函数，并使用设计波方法对CTV 进行了主要载荷参数的长期预报。随后通过软件的载荷传递功能，将水动力载荷传递到结构模型上，采用结构求解器进行应力分析，得到各个装载工况整船的应力分布情况。最后依据规范对该模型的整体强度进行屈服和屈曲强度的校核，得到此类船型的应力分布特点。但整体建模过程中还存在个别连接形式、边界条件的创建与实船的情况不符的情况，导致了局部的应力集中，还需要对出现应力集中的地方进行局部强度校核。后续工作中还需要对模型进行优化，提高模型模拟的准确性，希望上述校核思路能为后续该型船整船强度校核方法的研究工作提供参考。