以某內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO首部月池結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,分別采用非線(xiàn)性靜力和動(dòng)力分析2種方法,研究月池結(jié)構(gòu)在爆炸過(guò)壓載荷作用下的響應(yīng)規(guī)律;爆炸沖擊載荷確定,采用三角形脈沖式載荷并加載,對(duì)脈沖壓力上升時(shí)間進(jìn)行參數(shù)化研究,歸納月池結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的時(shí)歷變形、結(jié)構(gòu)響應(yīng)及能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,對(duì)比2種方法計(jì)算結(jié)果的差異,研究結(jié)論對(duì)相似工作提供借鑒和參考。 

【文章來(lái)源】：艦船科學(xué)技術(shù). 2020,42(15)北大核心

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圖1月池結(jié)構(gòu)幾何尺寸示意圖Fig.1Geometryparameterofmoonpoolstructure

1月池結(jié)構(gòu)介紹以某內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊FPSO首部單點(diǎn)艙月池結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，建立包括第1貨油艙、單點(diǎn)艙、首尖艙的三艙段結(jié)構(gòu)模型，艙段總長(zhǎng)L=114m，寬B=64m，高H=33m，如圖1所示。月池結(jié)構(gòu)材料為高強(qiáng)鋼AH32，屈服應(yīng)力315MPa，極限拉伸強(qiáng)度505MPa，斷裂應(yīng)變0.153，月池筒形結(jié)構(gòu)壁厚35mm。圖1月池結(jié)構(gòu)幾何尺寸示意圖Fig.1Geometryparameterofmoonpoolstructure2非線(xiàn)性靜力分析2.1非線(xiàn)性靜力分析方法非線(xiàn)性靜力分析方法通常采用牛頓迭代或者改進(jìn)的牛頓迭代法，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)平衡方程中的剛度矩陣轉(zhuǎn)置進(jìn)行迭代求解獲得收斂的計(jì)算結(jié)果。該方法不考慮時(shí)間效應(yīng)、慣性載荷影響，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增載荷使結(jié)構(gòu)達(dá)到給定位移或應(yīng)變狀態(tài)，結(jié)合材料本構(gòu)模型的彈塑性特征，獲得載荷變化過(guò)程中結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性響應(yīng)。盡管非線(xiàn)性靜力分析方法不考慮阻尼、慣性效應(yīng)，但是對(duì)于不考慮外載荷時(shí)歷變化影響的彈塑性分析，其計(jì)算精度處于工程應(yīng)用可接受范圍內(nèi)。對(duì)于本文內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO月池結(jié)構(gòu)過(guò)壓分析，采用非線(xiàn)性靜力分析能夠得到合理的求解結(jié)果。相比于動(dòng)力分析方法，非線(xiàn)性靜力分析方法的另一個(gè)計(jì)算優(yōu)勢(shì)是能夠通過(guò)細(xì)致的載荷步加載得到結(jié)構(gòu)的極限承載載荷，便于評(píng)估結(jié)構(gòu)的極限過(guò)壓載荷，而采用動(dòng)力分析方法則需要多次的迭代試算才能實(shí)現(xiàn)該目的，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力。2.2非線(xiàn)性靜力分析仿真根據(jù)圖1所示月池結(jié)構(gòu)幾何尺寸示意圖，使用Ansys軟件建立非線(xiàn)性靜力分析有限元模型，如圖2所示。為準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)彈塑性性能，使用Shell181，Beam188單元建模，其中第1貨油艙和艏尖艙網(wǎng)格尺寸按肋骨間距建模，包括甲板、外板、橫框架、縱桁等，單點(diǎn)艙采用細(xì)網(wǎng)格尺寸（50mm×50mm

圖3非線(xiàn)性靜力分析載荷步加載示意圖Fig.3Loadstepofnonlinearstaticanalysis2.3結(jié)果分析圖4為脈動(dòng)壓力峰值為0.4MPa時(shí)的月池結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)云圖。此時(shí)FPSO艙段模型的最大應(yīng)力單元出現(xiàn)在月池筒壁結(jié)構(gòu)環(huán)形加強(qiáng)框架上，最大等效應(yīng)力為117MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?57E-6，月池內(nèi)部筒壁結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力93MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?41E-6，結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形。圖4非線(xiàn)性靜力分析-0.4MPa脈動(dòng)壓力Fig.4Nonlinearstaticanalysis-0.4MPaimpulseload隨著爆炸載荷的繼續(xù)增量加載，脈動(dòng)壓力峰值為3.89MPa時(shí)，最大等效應(yīng)力為505MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.153，材料單元發(fā)生塑性失效，月池結(jié)構(gòu)達(dá)到最大過(guò)壓載荷值，如圖5所示。3非線(xiàn)性動(dòng)力分析與非線(xiàn)性靜力分析不同，動(dòng)力分析能夠考慮載荷隨時(shí)間變化時(shí)結(jié)構(gòu)的力學(xué)時(shí)歷過(guò)程，算法上可以考慮阻尼和慣性載荷，對(duì)于爆炸、沖擊類(lèi)問(wèn)題尤為適用。為考察內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO月池結(jié)構(gòu)在過(guò)壓爆炸載荷作用下的時(shí)歷響應(yīng)，采用顯式動(dòng)力分析方法對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)比非線(xiàn)性靜力分析求解結(jié)果，并研究不同脈沖時(shí)間對(duì)月池結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。3.1顯式動(dòng)力分析方法基于顯式動(dòng)力分析理論研究FPSO月池結(jié)構(gòu)在過(guò)壓爆炸載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)，適于處理瞬態(tài)、大變形問(wèn)題。其動(dòng)力平衡方程如下：Mun′′+Cu′n+Fintn=Fextn。(2)MCuFintn=KuKFextn式中：為質(zhì)量矩陣；為阻尼矩陣；為位移矢量；為內(nèi)力矢量，為剛度矩陣；為外力矢量。由式（2）計(jì)算可得，節(jié)點(diǎn)加速度矢量為：un′′=M1(FextnFintnCu′n)，(3)采用中心差分法計(jì)算節(jié)點(diǎn)速度矢量與位移矢量為：u?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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