fpso的船体结构极限强度分析
摘 要摘 要就目前来说，FPSO对于海洋石油天然气的开采其战略意义是非常重要的。它之所以能在众多海洋平台中脱颖而出，它所具备的机动性和运移性好占据着主导作用，它可以在深水域进行开采并储存石油天然气。在这里我们主要研究它的极限强度特性。FPSO的极限强度在其结构设计中是非常重要的，可能在其他船舶设计建造过程中没有明确，但在FPSO的设计上被明确提出。目前，我国对于FPSO的其他结构设计都进行过各种有针对性的研究试验，但在FPSO的极限强度方面还只是初步阶段。本文我们只选取了FPSO的一个舱段研究，通过构建模型，并给模型赋予材料大小，材料特性，载荷特点，边界条件等等。本文主要研究目的的是FPSO构件处于边界条件下的极限强度大小并对数据进行处理分析。在建模过程中我们运用ANSYS软件建立模型并进行网格划分，设定位移并结合有限元的相关理论进行实际操作。关键词：FPSO；极限强度；舱段；非线性有限元；ANSYS软件目录
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 对于板格极限强度的研究 2
1.2.2 对于箱型梁极限强度的研究 4
1.3 目前研究还能继续深入的问题 4
1.4 本文的主要研究内容 5
第二章 FPSO船体极限强度相关理论 6
2.1 船体极限强度的相关理论 6
2.1.1 船体的极限强度主要取决于以下三个方面： 6
2.1.2 板的极限强度标准和校核 6
2.1.3 组合载荷作用下板格的极限强度公式 9
2.2 FPSO极限强度的设计准则 17
2.3 FPSO船体极限强度的特殊性 18
2.4 本章小结 19
第三章 ANSYS非线性有限元理论 20
3.1 有限元理论介绍 20
3.2 有限元分析理论的特点 20
3.3 ANSYS有限元分析模块简介 21
3.4 ANSYS有限元分析的基本步骤 21
3.5 ANSYS有限元分析需要注意的重要问题 22
3.6 本章小结 23
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小结 19
第三章 ANSYS非线性有限元理论 20
3.1 有限元理论介绍 20
3.2 有限元分析理论的特点 20
3.3 ANSYS有限元分析模块简介 21
3.4 ANSYS有限元分析的基本步骤 21
3.5 ANSYS有限元分析需要注意的重要问题 22
3.6 本章小结 23
第四章 FPSO船体结构的极限强度分析 24
4.1 引言 24
4.2模型的建立 27
4.3 数据计算 32
4.4数据结果分析 34
4.5 本章小结 37
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
第一章 绪论
1.1 本文的研究背景和意义
FPSO主要具备的强度有三种，分别是纵向强度、横向强度以及局部强度。纵向强度代表着船的总纵强度，在船体结构的学习中我们知道它是衡量一艘船最重要的标志，因为它与船的安全息息相关。在过去，我们去研究船的总纵强度只要通过经典的线弹性理论和安全系数，我们通过比较一些特定弯矩条件下船的弹性应力，一般来说我们会选取船体离中和轴最远的点进行分析，因为相比那些离中和轴较近的，较远的构件受力较大[1]。以上方法是一种经典的方法，理论方面不难，计算的步骤也不是那么繁琐。但有一点，我们在为一艘船定义它的安全系数的时候避免不了经验之谈，往往利用经验的结果是，并不那么准确。既然要准确的确定船的安全系数我们就需要通过另一种方法，即对船体模型就行崩溃屈曲试验，这样得出的结果就相对来说比较精确了。
Vasta在20世纪50年代 第一次提出"极限承载能力”[2]，不知不觉经过60多年的进步拓宽，船体结构极限强度问题在船舶结构研究领域掀起了一场风暴。船体结构的极限强度主要包括构件的屈服、屈曲特性和后屈曲特性，我们还必须研究船体结构由局部崩溃向总体崩溃的渐进特点，以及在结构逐步崩溃过程中应力的重新分布。极限强度设计方法能够更精确地控制船体结构的承载功效，降低多余的结构，实现提升船舶的经济效益。
因此，极限强度设计方法在造船设计上正在慢慢地替代许用应力设计方法。要彻底实现这一设计方法的变换，第一必须进一步了解船体结构的极限强度特性。箱型梁具备突出的剖面刚度和更好的抗扭特性，能够提升船的总纵强度和极限强度，同时能够较大地提升舱段结构的局部强度。然而由于在强力甲板上设置纵向箱型梁还处于初期阶段，研究发现它对船体纵向极限强度的影响大小以及对结构的极限崩溃过程影响程度就现金的研究发现来说不够充分，还没有较为精确的方法预测其极限载荷。
1.2 国内外研究现状
21世纪以来, 结构设计的思路已经逐渐从传统意义上的许用应力设计向极限状态设计发展。结构理性设计的核心和基础是什么，那就是对船舶结构的极限强度进行 深入研究。就目前的造船设计方法来看，我们研究船舶极限强度的方法主要有这样几类：实船事故调查和模型试验法、解析法、逐步崩溃法和非线性有限元法。由于计算机在当今社会越来越占据主导作用，因此现在非线性有限元法已成为计算和评价结构极限承载能力较为合理的方法。
国内外研究人员越来越重视对极限强度的研究，这样能降低实际建造和运行船舶过程中出现的事故出现的概率，财产损失也会相应减少。
1.2.1 对于板格极限强度的研究
Paik&Thayamballi(2000)把板材扭转作为边界条件，通过分析它的屈曲强度特征，最后总结出了屈曲强度在弹性扭转约束下的公式[3]。
Valsgard(1984)在前人研究的基础上通过实验研究简化了板材在双轴向压应力和侧向压应力同时作用下的屈曲强度计算以及极限强度的计算。Ueda etal(1985），研究了在不同的载荷作用下，包括双轴向压应力、双轴向板内弯矩以及边缘剪应力板材的弹性屈曲公式。Paik et al(1992a)，推导了在双轴向压应力、边缘剪应力和侧向压应力作用下，简支板的弹性屈曲方程[4]。
Paik et al(1992)总结了前人的研究，并创新性的把焊接残余应力和屈曲方程相结合[5]，其中Paik想到了一个理想化的模型来代表焊接残余缺陷的分布从而准确的得出了材料的初始缺陷[5]。Mazzolani et al在1998年对焊接列铝薄板的局部屈曲强度的影响进行了深入研究。Yao et al(1998)，研究了单轴向压应力作用F，焊接残余应力以及初始变形列板的屈曲和极限强度的影响[6]。然而大部分船级社对船体板的弹塑性屈曲强度的计算主要是通过修补系数的方法把塑性属曲强度用弹性屈曲强度来衡量，这就是Johnsorl-Ostenfeld公式。Paik et al(1992b)和Fujikubo et al(1997)通过建立在非线性有限元方法基础上的曲线拟合得到了新的塑性届曲强度修正经验公式[7]。
最早要追溯到1932年，Karman创新性的提出了什么是板的有效宽度。有效宽
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 对于板格极限强度的研究 2
1.2.2 对于箱型梁极限强度的研究 4
1.3 目前研究还能继续深入的问题 4
1.4 本文的主要研究内容 5
第二章 FPSO船体极限强度相关理论 6
2.1 船体极限强度的相关理论 6
2.1.1 船体的极限强度主要取决于以下三个方面： 6
2.1.2 板的极限强度标准和校核 6
2.1.3 组合载荷作用下板格的极限强度公式 9
2.2 FPSO极限强度的设计准则 17
2.3 FPSO船体极限强度的特殊性 18
2.4 本章小结 19
第三章 ANSYS非线性有限元理论 20
3.1 有限元理论介绍 20
3.2 有限元分析理论的特点 20
3.3 ANSYS有限元分析模块简介 21
3.4 ANSYS有限元分析的基本步骤 21
3.5 ANSYS有限元分析需要注意的重要问题 22
3.6 本章小结 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
小结 19
第三章 ANSYS非线性有限元理论 20
3.1 有限元理论介绍 20
3.2 有限元分析理论的特点 20
3.3 ANSYS有限元分析模块简介 21
3.4 ANSYS有限元分析的基本步骤 21
3.5 ANSYS有限元分析需要注意的重要问题 22
3.6 本章小结 23
第四章 FPSO船体结构的极限强度分析 24
4.1 引言 24
4.2模型的建立 27
4.3 数据计算 32
4.4数据结果分析 34
4.5 本章小结 37
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
第一章 绪论
1.1 本文的研究背景和意义
FPSO主要具备的强度有三种，分别是纵向强度、横向强度以及局部强度。纵向强度代表着船的总纵强度，在船体结构的学习中我们知道它是衡量一艘船最重要的标志，因为它与船的安全息息相关。在过去，我们去研究船的总纵强度只要通过经典的线弹性理论和安全系数，我们通过比较一些特定弯矩条件下船的弹性应力，一般来说我们会选取船体离中和轴最远的点进行分析，因为相比那些离中和轴较近的，较远的构件受力较大[1]。以上方法是一种经典的方法，理论方面不难，计算的步骤也不是那么繁琐。但有一点，我们在为一艘船定义它的安全系数的时候避免不了经验之谈，往往利用经验的结果是，并不那么准确。既然要准确的确定船的安全系数我们就需要通过另一种方法，即对船体模型就行崩溃屈曲试验，这样得出的结果就相对来说比较精确了。
Vasta在20世纪50年代 第一次提出"极限承载能力”[2]，不知不觉经过60多年的进步拓宽，船体结构极限强度问题在船舶结构研究领域掀起了一场风暴。船体结构的极限强度主要包括构件的屈服、屈曲特性和后屈曲特性，我们还必须研究船体结构由局部崩溃向总体崩溃的渐进特点，以及在结构逐步崩溃过程中应力的重新分布。极限强度设计方法能够更精确地控制船体结构的承载功效，降低多余的结构，实现提升船舶的经济效益。
因此，极限强度设计方法在造船设计上正在慢慢地替代许用应力设计方法。要彻底实现这一设计方法的变换，第一必须进一步了解船体结构的极限强度特性。箱型梁具备突出的剖面刚度和更好的抗扭特性，能够提升船的总纵强度和极限强度，同时能够较大地提升舱段结构的局部强度。然而由于在强力甲板上设置纵向箱型梁还处于初期阶段，研究发现它对船体纵向极限强度的影响大小以及对结构的极限崩溃过程影响程度就现金的研究发现来说不够充分，还没有较为精确的方法预测其极限载荷。
1.2 国内外研究现状
21世纪以来, 结构设计的思路已经逐渐从传统意义上的许用应力设计向极限状态设计发展。结构理性设计的核心和基础是什么，那就是对船舶结构的极限强度进行 深入研究。就目前的造船设计方法来看，我们研究船舶极限强度的方法主要有这样几类：实船事故调查和模型试验法、解析法、逐步崩溃法和非线性有限元法。由于计算机在当今社会越来越占据主导作用，因此现在非线性有限元法已成为计算和评价结构极限承载能力较为合理的方法。
国内外研究人员越来越重视对极限强度的研究，这样能降低实际建造和运行船舶过程中出现的事故出现的概率，财产损失也会相应减少。
1.2.1 对于板格极限强度的研究
Paik&Thayamballi(2000)把板材扭转作为边界条件，通过分析它的屈曲强度特征，最后总结出了屈曲强度在弹性扭转约束下的公式[3]。
Valsgard(1984)在前人研究的基础上通过实验研究简化了板材在双轴向压应力和侧向压应力同时作用下的屈曲强度计算以及极限强度的计算。Ueda etal(1985），研究了在不同的载荷作用下，包括双轴向压应力、双轴向板内弯矩以及边缘剪应力板材的弹性屈曲公式。Paik et al(1992a)，推导了在双轴向压应力、边缘剪应力和侧向压应力作用下，简支板的弹性屈曲方程[4]。
Paik et al(1992)总结了前人的研究，并创新性的把焊接残余应力和屈曲方程相结合[5]，其中Paik想到了一个理想化的模型来代表焊接残余缺陷的分布从而准确的得出了材料的初始缺陷[5]。Mazzolani et al在1998年对焊接列铝薄板的局部屈曲强度的影响进行了深入研究。Yao et al(1998)，研究了单轴向压应力作用F，焊接残余应力以及初始变形列板的屈曲和极限强度的影响[6]。然而大部分船级社对船体板的弹塑性屈曲强度的计算主要是通过修补系数的方法把塑性属曲强度用弹性屈曲强度来衡量，这就是Johnsorl-Ostenfeld公式。Paik et al(1992b)和Fujikubo et al(1997)通过建立在非线性有限元方法基础上的曲线拟合得到了新的塑性届曲强度修正经验公式[7]。
最早要追溯到1932年，Karman创新性的提出了什么是板的有效宽度。有效宽
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