基于BCALoD的FPSO软刚臂系泊系统疲劳分析

针对软刚臂系泊系统铰节点在服役过程中出现的疲劳损伤问题,提出一种基于原型监测和局部密度双向聚类算法(Bidirectional Clustering Algorithm based on Local Density,BCALoD)的疲劳寿命计算方法。采用BCALoD算法对获得的船体六自由度进行工况分类,运用多体动力学将运动数据转算为受力时程,将其作为铰节点疲劳寿命分析的载荷谱。采用Abaqus软件建立各铰节点有限元模型以计算热点应力,结合Miner线性疲劳累积损伤理论和雨流计数方法计算疲劳寿命。进一步分析评估基于实测数据的铰节点疲劳设计指标,指出该FPSO软刚臂上铰节点的疲劳寿命不足以支持其完成服役,且各铰节点难以统一维护和更换。本研究可为在役软刚臂系泊系统的疲劳寿命计算提供一种新的载荷处理方法,为未来海洋平台的设计提供参考。

基于ADAMS的塔架软刚臂单点系泊系统多自由度运动特性

本文针对塔架软刚臂单点系泊系统与船体的相互耦合运动展开研究,采用ADAMS对软刚臂系统多自由度运动特性进行预测分析。分析发现,当船体横向运动时,软刚臂系统刚度和纵向时的变化趋势是一致的,相同位移下,其数值远小于纵向运动时的刚度。随着船体正向运动位移的增加,2条系泊腿的姿态逐渐不同,左系泊腿随着软刚臂自转,出现向上翘起,张力大于右系泊腿。通过船体纵向运动碰撞分析发现,船体靠近导管架8.19 m时,软刚臂与船船首甲板发生碰撞,其碰撞力达到8251 N,这有利于对系泊系统进一步优化设计。

浮式生产储油轮诱导软刚臂系泊系统的动力响应

建立软刚臂系泊系统的理论模型和动力方程,模拟实际几何与物理特性及作用机制.开发误差判断结合变步长迭代搜索的数值逼近求解方法和软件,计算分析软刚臂系泊系统在浮式生产储油轮(FPSO)空间6自由度运动诱导下的动力响应特性,并进行模型试验验证.结果表明,该模型的数值计算与试验结果符合很好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊FP-SO系统动力性能的实时监测或理论预报.建议进一步研制实时监测装置,实现安全监控与防护.

软刚臂系泊系统水平恢复力特性数值预报

建立软刚臂系泊系统的理论模型以及6自由度静恢复力特性计算分析的数学模型,模拟实际几何关系与力学作用机制。提出基于误差判断的变步长迭代搜索的数值逼近求解方法,以QHD32-6 FPSO软刚臂系泊系统的纵向和横向水平恢复力特性为例进行数值预报,并与国外设计公司计算结果以及模型试验结果进行比较分析。对比显示,该模型的数值计算结果符合良好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊系统静恢复力特性的预报。

软刚臂单点系泊系统铰接结构计算分析

塔架式软刚臂单点系泊系统的系泊能力是浮式生产储油装置(FPSO)持续安全作业的关键。软刚臂单点系泊系统通过多个铰接结构共同作用释放的多自由度实现FPSO的系泊定位。针对软刚臂单点系泊系统中铰接结构的多体自由度运动特性问题,参考BZ-28-2S单点系泊系统数据资料,选取不同工况下铰接结构的受力数据,采用有限元ANSYS分析软件对铰接结构的强度和刚度进行分析。结合有限元分析结果,在满足单点系泊装置相关规范要求的条件下,验证了铰接结构设计尺寸及材料选取的合理性。

浅水单点系泊FPSO软刚臂参数敏感性分析

软刚臂单点系泊FPSO是浅水油田广泛采用的油气开采设备。为研究单点系泊系统的受力性能,针对一艘作业于浅水油田的16万吨级软刚臂单点系泊FPSO,在线性三维势流理论的基础上,基于多体动力学方法建立FPSO—系泊腿—软刚臂的耦合模型,在时域内计算软刚臂单点系泊系统(SYMS)的动力响应特性;并进行软刚臂单点系泊系统参数敏感性分析,研究软刚臂系泊系统的系泊点高度、系泊刚架高度、软刚臂长度、系泊腿长度、压载舱重量等设计参数的变化对系统动力响应性能的影响。结果表明:单点载荷和系泊腿轴向载荷随着系泊点高度、系泊刚架高度和压载重量的增加先减小后增大,而随着软刚臂长度、系泊腿长度的增加则是先增大后减小;且单点载荷对软刚臂长度和压载重量这2个参数的变化最为敏感,而系泊腿轴向载荷则对系泊刚架高度、软刚臂长度这2个参数的变化最为敏感。

软刚臂系泊系统多体动力行为模拟和实测验证

为了研究浮式生产储卸油装置软刚臂系泊系统在服役海况下的多体动力学行为,本文将软刚臂系泊系统的铰结构进行拆分,结合现场原型监测信息,开展了适用于现场应用的软刚臂系泊系统的三维多体动力学模拟研究。利用现场监测冗余信息,验证了多体动力学模拟方法对在役软刚臂系泊系统各铰和单体运动状态计算的正确性。同时,相对于传统的软刚臂结构的二维力学模型而言,本文所提出的三维多体动力学模型全面地考虑了船体和系泊结构运动的影响,系泊回复力具有明显的波频效应,可更加全面地表征软刚臂系泊系统在服役状态下的结构运动姿态和受力等实时工作状态。

基于现场监测的在役软刚臂系泊系统实时疲劳分析

渤海地区软刚臂系泊系统在服役过程中发生了多次铰节点失效事件,造成严重经济损失,通过铰节点断面分析发现失效的原因为长期循环荷载导致的疲劳问题。基于现场监测技术获得的长期响应信息,对“渤海友谊号”FPSO软刚臂系泊系统展开了实时疲劳分析。通过构建软刚臂系泊系统现场测量公式和多体动力学模型,计算了该软刚臂系泊系统各关键铰节点的长期荷载谱;在此基础上,结合有限元模型评估了该在役软刚臂系泊系统关键铰节点的疲劳寿命。结果表明,该软刚臂系泊系统上铰节点疲劳寿命远小于设计年限,解释了渤海地区多个软刚臂系泊系统发生上铰节点失效的原因。本文研究为在役软刚臂系泊系统的安全运维及未来同类型海洋平台的优化设计提供了参考。

软刚臂系泊系统的保辛多体动力特性分析

软刚臂单点系泊系统(SYMS)是浮式生产储卸油装置(FPSO)的主要系泊方式之一。作为一个典型的多刚体系统,SYMS通过多个铰结构联合作用释放FPSO的旋转自由度,实现了FPSO的动态定位。本文建立了SYMS的多体动力学模型,针对微分-代数方程组求解过程中的积分困难问题,基于祖冲之类方法的思想构建了保辛数值积分方法,所提出的求解格式具有简单且自动满足哈密顿体系的保辛特性,对非线性系统具有较高的求解精度;选取了2组不同海况下的FPSO六自由度实测数据,计算了SYMS的动力响应及其系泊回复力。计算结果表明,相较于传统静力学设计方法,本文所开展的保辛动力学计算可获得动力特性明显的结构受力状态。对于系泊腿、YOKE等结构位移和受力行为的整体力学分析,可更加全面地评价SYMS的整体工作行为。

一种软刚臂单点系泊腿万向节的数值计算方法

针对软刚臂单点系泊系统中系泊腿万向节结构件的数值计算问题,参考渤海现有软刚臂单点系泊装置资料,分析软刚臂系统系泊腿构件受力特点,提出结合水动力和软刚臂系统多体动力学计算结果,采用顺序耦合分析流程计算系泊腿万向节部件静强度的计算方法。结合计算结果,在满足相关规范要求的条件下,可初步确定系泊腿万向节的尺寸及材料。

水深对软刚臂单点系泊FPSO动力响应的影响

系泊系统的定位能力是浅水油田作业的软刚臂式单点系泊FPSO安全作业的重要保障,为研究不同水深/吃水比下单点系泊系统的受力性能,针对一艘16万吨级软刚臂单点系泊FPSO,在线性三维势流理论的基础上,基于多体动力学方法,建立FPSO-系泊腿-软刚臂的耦合模型,采用Newman近似法和Pinkster近似法分析了FPSO所受二阶波浪力,在时域内计算了不同水深/吃水比对系泊系统动力响应性能的影响。结果表明,随着水深/吃水比的增加,Newman近似法计算得到二阶波浪力先增大后减小,引起单点系泊系统载荷先增大后减小;而Pinkster近似法计算得到的二阶波浪力逐渐减下,引起单点载荷逐渐减下。在浅水条件下,Pinkster近似法具有较好的适用性,Newman近似法严重低估了FPSO所受的二阶波浪力;在深水条件下,Newman近似法能满足工程计算的要求;适用两种方法的临界水深/吃水比为1.64。

基于实测的软刚臂横摆疲劳分析

针对浮式生产储存卸货装置中软刚臂系泊系统所产生的横摆问题,运用相位分析方法分析软刚臂横摆与船体横摇的共振现象,研究了软刚臂横摆的疲劳分析方法;以软刚臂上铰点为例,运用雨流计数方法统计上铰点1a的循环次数,并推算出其15a的循环次数,利用有限元方法计算15a的循环次数下的疲劳损伤.结果表明,上铰点的整体损伤达到了0.57.在软刚臂的设计年限内,上铰点存在疲劳失效的隐患风险,亟需寻找切实可行的方法以降低共振所带来的影响.

软刚臂上铰节点疲劳失效分析和现场监测方案设计

海洋环境荷载非平稳性、时变性等特点为海洋工程结构设计带来挑战。海洋工程结构设计的不准确性可导致其真实服役时间低于自身设计寿命。针对塔架软刚臂系泊系统上铰节点服役过程中出现的疲劳磨损问题,发展出一种基于原型监测技术的铰节点疲劳寿命实时预估方法。通过开展有限元模拟,建立系泊腿在指定摆动角度下摩擦系数和热点区域应力分布的对应关系,提出了软刚臂上铰节点的原型监测方案。结合不同摩擦系数对铰节点接触面损伤行为的影响,提出了软刚臂主铰结构疲劳寿命计算评估方法,能够实现铰节点疲劳的完整性分析。

虚拟样机技术在FPSO系泊力监测系统设计中的应用

针对难以直接测量FPSO软刚臂系泊系统受力的问题,在对软刚臂系泊系统运动特性进行分析的基础上,提出基于姿态响应的系泊力间接测量方案,通过测量系统角度变化计算系泊力.用Adams建立系泊系统虚拟样机模型,将通过角度变化计算得到的系泊力与仿真得到的系泊力进行对比,两者吻合较好,验证设计方案的正确性.通过在FPSO现场的实施证明测量方案的可行性.

FPSO监测中系泊姿态传感器的动态校准方法

针对浮式生产储油船(FPSO)单点系泊姿态传感器的初始安装误差无法消除,其误差会严重影响系泊力计算精度的问题,提出了一种基于系泊结构运动特性和实测数据的动态校准方法。该方法基于安装在FPSO船体上的高精度GPS实测信息,和软刚臂系泊系统的运动关系方程,采用多样本组合优化法来校准姿态传感器安装误差。在"海洋石油102"FPSO的原型测量数据集上进行验证,结果表明,该方法可以有效地补偿软刚臂系泊姿态传感器的安装误差,为今后海洋平台传感器安装误差的研究提供了新的思路和方法。

计入温度场的万向节轴孔与滑动轴承数值分析

针对塔架软刚臂单点系泊系统所采用的万向节轴孔与滑动轴承之间的接触应力进行有限元分析。万向节的工作环境温度为(-40～80)℃,接触面之间的接触应力与工作环境温度、外部载荷及轴承厚度等参数有关。该文对万向节的接触应力在不同工作温度、外部载荷、不同的滑动轴承厚度下进行了数值分析。在仿真模拟分析中采用子模型技术以节省计算时间,摩擦力采用经典的库仑摩擦模型。结果表明:万向节的接触应力与工作环境温度、外部载荷及滑动轴承厚度等参数存在非线性关系。在过盈量相同的情况下,随着工作环境温度、外部载荷及滑动轴承厚度的增加万向节的接触应力增大。

热-机载荷下系泊头圆筒的数值分析

针对塔架软刚臂单点系泊系统所采用的系泊头圆筒进行理论与Abaqus有限元分析。理论推导出系泊头圆筒的最佳弹塑性界面半径和最佳自增强压力,考虑温度载荷并分为平面应变模型和轴对称模型两种情形对系泊头圆筒受力后的弹塑性应力分布进行有限元数值分析。系泊头圆筒的工作环境温度为(-40~80)℃,圆筒的应力分布与工作环境温度、外部载荷及径比系数等参数有关。在对温度载荷仿真模拟分析中采用重启分析技术以节省计算时间。结果表明:系泊头圆筒应力分布与工作环境温度、外部载荷及滑动轴承厚度等参数存在非线性关系。系泊头圆筒受内压的两主应力分量沿半径方向随着半径的增大周向应力先增大后减小,而径向应力的大小却逐渐减小。

海洋核动力平台水动力性能试验分析

对采用船体和外转塔软刚臂系泊系统型式的海洋核动力平台进行静水衰减试验、系泊系统刚度试验和风浪流试验,从船体运动、船体线加速度、系泊系统载荷和船体抗倾覆能力四方面校核平台的安全性。针对系泊系统载荷中出现的时历突变问题,从波面升高、船体运动、固定塔架和系泊腿载荷进行分析。结果表明,船体横摇和艏摇运动受流向影响很大,系泊系统载荷的突变主要是由于系泊腿瞬时张紧所致。