基于LRFD方法的海洋结构物局部强度分析

李宝功，殷星杰，赵 勇，赵彤晖

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

在船舶和海洋平台等大型海洋工程结构中，往往存在很多重型设备；同时，在一些特殊船型中，由于设计需要，存在很多异形结构。因此，在对船舶和海洋结构物进行结构设计分析时，除了对全船进行有限元分析以外，还需针对不同的设计要求进行局部强度校核分析，比如重型设备的基座、异形结构的特殊设计和局部结构形式的优化减重等，二者共同保证结构设计的合理性和有效性。

本文根据实际项目实施经验，总结在海洋结构物承受众多不同类型载荷的情况下，采用载荷阻力系数设计（Load and Resistance Factor Design，LRFD）方法对其中的局部结构进行强度分析的过程。

1 LRFD方法简述

自20 世纪70 年代起，各国陆续开始对LRFD 方法进行研究，其中：挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）于1977 年制定了基于LRFD方法的海洋平台设计规范，于1995 年推出了基于该方法的导管架平台极限强度和可靠性分析指南，随后又陆续推出了基于该方法的近海钢结构设计通用规范，以及相对细化的柱稳式平台、自升式平台和张力腿平台设计规范；美国石油学会（American Petroleum Institute，API）制定了针对固定式平台的LRFD方法指导规范API RP 2A LRFD。LRFD 方法以结构可靠性理论为基础，其基本思想是：首先，以概率统计的方式分析各种因素使材料破坏的概率；其次，根据分析结果使对应载荷放大不同的倍数，并将其应用到对应要求的结构极限状态中，使其成为结构的实际工作应力；最后，比较材料强度与实际工作应力的大小，使材料强度大于实际工作应力与应力放大系数的乘积。

结构的极限状态是指整体结构或部分结构超过规定设计要求的条件，分为承载力极限状态（Ultimate Limit States，ULS）、偶然极限状态（Accidental Limit States，ALS）、疲劳极限状态（Fatigue Limit States，FLS）和工作极限状态（Serviceability Limit States，SLS）等4 种。每种极限状态都对应特定的载荷和载荷系数，设计结构的强度校核由此而来。由于充分考虑到了环境荷载的影响，LRFD方法具有较强的地域性。例如，API RP 2A LRFD是基于墨西哥湾的海洋环境条件数据和海上平台设计实践确定的，DNV GL Offshore规范是基于挪威北海海域的工作条件确定的，这些规范对这2 个海域的载荷阻力系数有明确的标定。对于其他海域，由于海洋环境条件数据不同，沿用这些规范中的载荷系数进行结构设计不一定准确，必须根据所在海域的特点对载荷系数进行标定，采用新的载荷系数进行分析。下面以某深水半潜式海洋平台中的推进器基座有限元分析过程为例，详述基于LRFD方法的结构设计分析过程。由于该平台是以挪威北海海域工作条件为背景设计的，因此采用DNV相关规范中的载荷阻力系数和评估标准是合理的。

2 LRFD方法设计实例

2.1 实例概述

该深水半潜式海洋平台采用A5000 船型，以双浮筒、四立柱和箱型结构为主体，适宜在全球范围内水深不超过1 500 m的海域作业，入级中国船级社（China Classification Society，CCS）和DNV，已于2018 年交付使用。本文校核的舵机基座位于该平台右舷浮箱中部，见图1。计算采用的有限元模型在垂向和船宽方向涵盖了浮筒的整个截面，在船长方向，分别向艏、艉各取2 个强框的长度（具体见图1 中的阴影区域），以便全面分析相邻液舱的不同装载工况对该区域结构强度的影响。

图1 深水半潜式海洋平台浮筒区舱室布置图

计算模型的边界条件是在浮筒端部横梁处取为简支，见图2 中的锥形图标。由于纵骨17 号肋位处水密舱壁两侧均设有端部肘板，在舱壁处不会发生角变形，故此处的边界条件取为固支，见图2 中的方块图标。

图2 推进器基座区域结构有限元模型和边界条件

2.2 载荷和载荷组合

在DNV海洋结构物设计规范中，通常将作用在海洋结构物上的载荷分为永久载荷、可变载荷、环境载荷、偶然载荷和变形载荷等5 种，不同类型载荷对应不同的载荷系数。表1 为该舵机基座区域结构承受的载荷和对应的载荷种类定义。

表1 舵机基座区域结构承受的载荷和对应的载荷种类定义

在分析中，、、、、、和在不同极限状态下对应不同的定义和数值，具体应按规范DNV GL-RP-C103第3 节中的公式和相关要求计算。在计算ULS时，分别计算盐水舱处于空舱和满载状态时的情况，静水压力和动压力均取平台自存状态下的数值；在计算ALS 时，假定该平台发生最大17°横倾完全是由舵机室进水造成的，此时舵机基座承受舱室破损进水之后的水压压头；在计算FLS 时，计算应力为舵机载荷与海水动压力的组合状态，选取操作条件下的载荷值。推进器工作载荷在水平方向的扭矩在360°范围内，按每30°为1 个计算工况，分别与上述载荷叠加。根据规范DNV GL-OS-C101中第2 节B部分对不同极限状态下的载荷系数的要求，分别对上述载荷选取相应的载荷系数，即可得到最终结构分析需要的工况和载荷组合。表2 和表3 分别为计算ULS-a、ULS-b、ALS和FLS时的载荷系数。

表2 计算ULS时压载水舱和盐水舱的载荷系数

表3 计算ALS和FLS时的载荷系数

续表2

2.3 结果分析

计算结果表明，无论是在ULS计算中，还是在ALS计算中，基座处结构的最大合成应力值和剪应力值均远小于相应的许用应力值，仅在局部区域超出了临界值。这是因为该部分构件使用了梁单元，而在有限元模型中未对此处节点进行细节处理，导致出现应力集中的结果，由于其与计算结果相差较大，不会影响基座的校核结果，故在模型中未对其作进一步细化。屈曲结果根据规范DNV GL-RP-C201和DNV GL-RPC202中的相关要求校核，其中：船长方向的正应力σ和剪应力τ取全船有限元计算所得最大压力值；船宽方向的正应力σ是从计算模型中得出的局部最大压力值。计算结果表明，最大屈曲使用系数出现在ALS工况下的中间强框处，最大屈曲使用系数为0.97，满足设计需求。

对于疲劳分析，采用规范DNV GL-RP-C-203中的简化分析方法选择相应的S-N曲线，根据FLS工况下的有限元计算结果获得应力值。最终求得疲劳最小值出现在强框面板拐点处，此处应力值的绝对值为54 MPa，疲劳寿命为40.4 a，满足设计要求。

3 结 语

采用LFRD方法对海洋结构物进行局部强度分析，原理易懂，计算过程简洁明确，即：选取合适的有限元计算模型；分析结构所受载荷并划分载荷种类；根据相应规范计算不同种类载荷的载荷系数；确定载荷组合并加载分析不同极限状态下的应力水平。本文所述案例中，在平台详细设计阶段，几乎所有涉及局部强度分析的结构的应用梁单元和有限元建模分析都根据LRFD方法进行，得到了DNV审图专家的指导和认可。随着更多海域的载荷系数的标定，未来该方法在海洋结构物局部强度分析领域会得到更广泛的应用。