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FPSO起重机设计与施工中有限元与有限体积法的耦合分析
Dae-Suk Han、Sung-Won YooMyung-Hyun Kim amp; Jae-Myung Lee；Hyung-Sik Yoon；Sang-Hyun Kim
\韩国釜山釜山国立大学海军建筑与海洋工程系，釜山609-735
\釜山国立大学先进船舶工程研究中心，釜山609-73
\仁荷大学海军建筑与海洋工程系，韩国仁川402-751
摘 要
这项研究的目的是建立一个程序系统的设计和性能评估的海上平台（FPSO：浮动，生产，存储和装卸）起重机使用计算方法。有限元和有限体积法的耦合分析，适用于在考虑非线性环境影响的情况下确保稳固设计。为了研究动态载荷的影响，研究了一台起重能力为100吨的海上平台起重机的边界条件。在有限体积法中，使用计算机流体动力学代码FLUENT进行了一系列分析。在使用商业代码MSC/NASTRAN的有限元分析中也考虑了起重机的重量，最大提升载荷，计算出的风压和边界条件，例如由于FPSO的极端滚动导致的甲板倾斜。在统一的计算环境下进行变形，应力分布以及疲劳寿命估计。提出了评估设计概念验证的先进程序，用于FPSO设计和施工的应用。
关键词：FPSO起重机设计 有限元法 有限体积法 结构完整性 寿命估算
1. 介绍
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。它们在建筑物的土木工程中也很常见。该领域的最新进展包括自动化机器人起重机安装过程和工作空间需求的自动生成方法。由于起重机性能的提高，这些进步提高了起重机操作的效率[1,2]。由于近期海洋资源开发的工业需求，这些陆上起重机的应用领域已扩展到海洋平台，如FPSO（浮式生产，储存和加工单元）。
一般来说，海上平台的设计或建造应考虑操作负荷的详细信息。然而，建立包括现场操作条件的设计概念的自动或系统化程序尚不可用。在这项研究中，基于结合FEM（有限元法）和FVM（有限体积法）的数值分析，进行了FPSO起重机的自动设计程序以及结构安全评估。
FPSO上起重机的起吊操作比固定式（陆上）平台上的起重机复杂得多。由于FPSO在海洋的运动，海上起重机受到动力和风力的作用。随着海洋开采扩展到更加恶劣的环境，海上起重机更容易受到环境负荷的影响。在这种情况下，海上起重机的强度设计被认为是一项重大挑战。
众所周知，风力对各种工业结构的影响的理解对于在设计生活中保持结构完整性至关重要，但设计目的的研究活动仅限于某些典型的领域。
Haddara和Soares提出了一种计算船舶和海上结构风载的实用方法[3]。他们提出了一个估算船舶风力系数的表达式，并将其与实验结果进行了比较。其他关于基于CFD（计算流体动力学）模拟的风荷载识别的高级研究包括Huang等人开发的CFD技术[4]，Blocken等人[5] 和Diego等人[6]，他们提出了一种可靠的数值处理技术，考虑了各种风对结构的影响。
FPSO在海上的运动是一个非常重要的因素，有助于起重机的静态和动态响应。即使起重机不处于运行状态，FPSO的运动也会在起重机上产生动态载荷。因此，FPSO起重机的设计活动应该包含准确的理解或处理。关于这个研究领域，Wits提出了参数激励影响起重作业期间的起重机载荷[7]。他描述了由于参数激励导致的船只运动引起起重机可操作性的影响的降低。
本文提出了一种使用耦合FVM和FEM估算FPSO的风载，静载，动载荷和极端滚动的方法。此外，疲劳评估也采用热点应力方法进行，以展现焊接臂架结构的寿命周期[8].
图1. FPSO中的示例海上起重机
2.模型说明
2.1.FPSO起重机模型
在海上起重机的设计阶段，重要的任务是计算作用在起重机上的环境负荷。一台起重量高达100吨的海上起重机被用来演示设计过程。图1展示的就是这台起重机。该起重机用于装卸FPSO和访问船之间的设备。设计活动的最终目标是确保设计生活中的安全操作。
根据提升位置的不同，该海上起重机有两种操作选项。主起重载荷作用于距基座结构中心30米处的主臂头上，最大起重能力为100吨。第二次提升操作是在辅助臂架头距底座45米的地方进行的，提升能力为25吨（参见图1）。主要提升操作被认为是本文的提升条件。
2.2.FPSO起重机的设计
确定设计方案（例如形状，尺寸）的最简单方法可能是使用CAD（计算机辅助设计）工具进行几何建模。最近的CAD技术使设计人员能够在制造过程之前验证目标结构的真实形状。一旦获得可靠的设计概念，CAE（计算机辅助工程）模拟通常被执行以在预期的加载条件下获得结构响应。这些基于计算机的程序可以提高设计或评估工作的效率，因为可以在每个连续阶段直接并入CAD模型。图2 显示本设计研究中使用的FPSO起重机原型。
图2.海洋起重机（Autodesk Inventor）的3D
3.设计自动化
3.1.计算程序
图3显示了海上起重机设计的全过程计算模拟。使用构造为 CAD 数据,所需的结构响应评估是在 consec 中执行的-执行的方式。考虑到操作条件 (即风对海洋的影响), 准确识别风荷载是至关重要的。
FEMamp;FVM建模
流体动力学分析
在有限元模型加风载
作用载荷组合
结构分析
疲劳分析：热点应力法
图3.海上起重机的安全评估
为了量化风荷载的实际震级, FVM进行了仿真。众所周知, FVM 是一个非常有用的外部流体流或流体压力的计算方法刚性结构的表面。在这方面, 精确的装载计算了由风引起的构件。有人指出,FVM 分析的离散网格被理想化为提高时间消费努力。即, 因为地方理想化没有作用关于全球压力特性, 非常详细的结构组件被理想化或忽略 (图5)。虽然有一些FVM 分析模型理想化, 结构分析模型(有限元模型) 包含起重机的原始形状。因此, 该获得的压力元件需要映射, 即压力从 FVM 模型到有限元模型的分布映射地方理想化的区域。
为了将计算的风荷载应用于结构分析, 考虑起重机的形状, 将起重机有限元模型的表面分为35组。从风荷载的结果, 将结构分析的输入载荷数据作为 BDF 文件导出。在每一个表面组中, 风的作用力按表面面积的不同而被转化为作用压力。图4显示了有限元模型中转换后的风力。
总之, 为了简化整个分析过程, 假定以下条件:
·风荷载由 FVM 使用基于给定速度稳态流问题的局部理想化模型确定。
·在起重机表面通过相关的映射过程静态地重新分配产生的压力。通过适当的映射程序, 可以保证两 种模型 (有限元和 FVM) 之间的风荷载的几何对应。
·使用选定分析方案进行结构分析验证设计概念。作为结构响应的结果, 得到了变形、应力分布以及疲劳寿命估计。
注意到上述所有程序都是以系统的方式在一致的计算环境下进行的(见图3)。
3.2.FVM模型
作为整个程序的第一步，进行了CFD（计算uid动力学分析。采用商业CFD软件包FLUENT6.2.16来识别风压。目前的研究考虑了一个三维FPSO起重机问题，假设稳态不可压缩粘滞流以简化物理问题。描述当前研究中稳态不可压缩粘性流场的控制方程为连续性和雷诺平均Navier-Stokes方程：
) (2)
其中是笛卡尔坐标,是相应的速度成分, rho;是密度, mu;是粘度, P 是压力。还有,公式（2中的）是使用可实现的 kminus;ε模型闭合的雷诺应力项。可实现的k-ε模型被用作湍流模型，因为它的改进的预测能力相对于标准的k-ε模型，因为它能够解决位于非常复杂流动的部分能力接近表面。此模型确保湍流正常应力总是正的，这与复杂动荡的物理行为是一致的。通过该方案，雷诺平均Navier-Stokes方程可以与紊流动能和耗散率的输运方程结合起来进行数值求解。该方程通过基于有限体积法的二阶空间离散化方案的SIMPLE算法求解。
就像之前提到的，图5显示原始和简化的模型。要注意的是，简化的部件不会对起重机的总风压产生显着的影响。这种简化可能会导致总体风荷载的高估，然而，这将有助于保守设计，从而确保结构安全。
图6显示了起重机模型和迎风面积的细节形状。简化的起重机模型的迎风面以theta;= 0°和theta;= 90°的偏航角定义。在每种情况下，迎风面积分别为3.43.9平方米和78.8平方米。
图4.风力（左）转换为有限元模型（右）
图5.原始（左列）和简化（右列）模型（a）和部分（b，c）
图7 显示计算域的大小和施加在每个边界上的条件。对于远场边界设定对称条件时，在起重机表面施加无滑动边界条件。与自由流或风速（Uinfin;）和低湍流强度以及对流边界条件分别应用于输入和输出边界。
图6.简化的起重机模型的尺寸（左：偏航角90°，右：偏航角0°） 图7.计算域和边界条件
3.3.有限元模型
图8显示了海上起重机的有限元模型。有限元分析（有限元分析）被用来研究给定设计载荷下的结构响应。FE模型由59,574个节点和62,622个壳单元组成。与FVE网格系统相比，FE模型在没有任何简化的情况下紧密反映了海上起重机结构。
边界条件如图所示图9。作为一项正常操作，考虑提升载荷和底部基座受到固定边界条件的限制。基座受到固定边界条件的限制。起重载荷在30米远的基座处受到动臂作用，载荷为100吨。
图10给出了风荷载分布的示意图。在本研究中，根据平面XZ的法线方向假定风荷载方向，如图1所示图10因为这会给所有的起重机结构带来最严重的负载效应。值得注意的是，假定的风向可以起到获得保守设计方案的作用。关于起重机结构的材料，选择两种类型的材料（表格1)。
图8.海上起重机的有限元模型
图9.提升负载和固定节点
图10.风荷载方向
表1
材料性能
材料 杨氏弹性模量 屈服强度 抗拉强度 密度 描述
|
Posten80 |
207.1 GPa |
680 MPa |
785Mpa |
7850kg/ |
对于大多数起重机 |
|
EH36 |
140 GPa |
355 MPa |
490Mpa |
7850kg/ |
对于内臂法兰起重机 |
3.4.分析场景
基于可能的作用载荷的组合来设计分析方案，例如风力载荷，起重载荷和波浪引起的海上起重机的倾斜度。由于根据波浪引起的FPSO运动，提升载荷可能显示出显著的变化，船舶滚动运动的大小（即滚动倾斜角度，图11）也被选作潜能因子。
通常情况下，应用动态因子来考虑海上负荷的增加。动态系数乘以静态负载能力，以确保海上起重机的安全[9–11]。
在本研究中，根据DNV（挪威船级社）对起重设备进行认证的规定，假设动态系数为1.8。参数#39;起重机的方向#39;由三个条件组成。术语纵向意味着起重机吊杆的方向与FPSO的纵向方向相同。术语“横向”意味着起重机吊杆的方向跨越FPSO的纵向方向。图12介绍了海上起重机的方向。表2显示选
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