基于动静载荷耦合作用下原油转驳船艉部结构的强化方法

本发明涉及一种原油转驳船制造，具体是涉及一种基于动静载荷耦合作用下原油转驳船艉部结构的强化方法。

背景技术：

1、近年来，石油和天然气在全球能源中的占比明显上升，随着陆地油气储量不断减少，对海上资源的勘探兴趣日益浓厚。地球的海洋面积超过陆地面积的两倍，其中蕴藏着约1400亿至2000亿吨的海底石油和约140亿立方米的海洋天然气。开发这些深远海石油资源需要克服高压、低温和极端条件，例如海底钻井、油气开采、输送设备以及海底设施的设计与建造等技术问题。

2、目前，浮式生产储卸油装置（fpso）广泛用于海上石油的生产、储存和加工。然而，在进行大规模、远距离的深远海油气资源开发与运输时，石油必须通过穿梭油轮（st）进行外运，以避免fpso生产中断。与超大型油轮（vlcc）相比，穿梭油轮的石油载重量在8至15万吨之间，远远小于超大型油轮20至30万吨的载重，并且造价更昂贵。如何利用常规油轮的高效低成本优势，推动其代替穿梭油轮执行深远海油田的原油运输，成为国际原油输送装备技术急需解决的问题。因此，开发了一种新概念船型——原油转驳船（ctv），首次提出了一种全新的原油外输作业理念，即"fpso+ctv+vlcc"原油外输模式，有效解决了vlcc与fpso直接转驳时的系泊防碰撞难题，大大提高了深远海原油转驳的作业效率与安全性。

3、原油转驳船在海上服役时，艉部受到来自海浪、风力、载货和输油软管绞车运行等多种动态与静态载荷的影响。这些载荷的复杂耦合作用会导致船体的振动、变形和应力集中，进而对艉部结构的强度和稳定性构成威胁。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于动静载荷耦合作用下原油转驳船艉部结构的强化方法，以提高艉部结构的可靠性和安全性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于动静载荷耦合作用下原油转驳船艉部结构的强化方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：原油转驳船全船结构模型的建立；

5、步骤s2：原油转驳船全船质量模型的建立：依据原油转驳船全船结构模型，使用质量点模拟船上大型设备，使得所建原油转驳船模型的空船质量与实际质量相匹配；

6、步骤s3：原油转驳船全船水动力模型的建立：利用原油转驳船全船质量模型，通过实验得到原油转驳船的横摇衰减模型试验数据曲线，根据原油转驳船的横摇衰减模型试验数据曲线，建立包含莫理森模型和湿表面模型的复合模型；

7、步骤s4：静态载荷与动态载荷耦合作用下的等效载荷计算：设置原油转驳船的静态载荷和载荷截面，计算各个截面参数处在静态载荷与动态载荷耦合作用下的载荷分量达到最大时所对应的载荷参数，根据载荷参数与长期预报值，计算静态载荷与动态载荷耦合作用下的等效载荷幅值；

8、步骤s5：获取整船结构相应工况的边界条件：通过求解器将等效载荷传递至原油转驳船的整船结构模型并进行运算，通过整船结构对等效载荷的应力响应，得到整船结构在等效载荷作用下的计算结果中相应工况的边界条件；

9、步骤s6：计算原油转驳船艉部结构的应力分布：将整船结构在等效载荷作用下的计算结果中相应工况的边界条件传递至艉部子模型的边界条件，使用求解器进行运算，得到原油转驳船艉部结构在静态载荷与等效载荷耦合作用下的应力分布；

10、步骤s7：原油转驳船艉部的结构强化：设定原油转驳船艉部结构的许用法向应力值和许用剪切应力值，在原油转驳船艉部结构的应力分布中，筛选高于应力许用值对应的部位，并对筛选出的相应部位的结构进行加强。

11、进一步地，所述的步骤s1，具体包括以下步骤：

12、步骤s1.1：按照原油转驳船的实际结构建立全船的结构模型，总长89m，型宽20m，型深10.5m；

13、步骤s1.2：原油转驳船主要结构建模：包括甲板、船体外板及纵横舱壁，采用板壳单元建模；

14、步骤s1.3：原油转驳船次要结构建模：包括船纵骨以及加强筋，采用梁单元建模。

15、进一步地，所述的步骤s2，具体包括以下步骤：

16、步骤s2.1：对全船的结构模型赋予材料属性，原油转驳船的船体材料为船用高强度结构钢，密度7850kg/m3，杨氏模量205000mpa，泊松比0.3；

17、步骤s2.2：使用质量点模拟船上大型设备；

18、步骤s2.3：通过调整各部分结构材料密度来模拟船体一些未建模的小型设备、舾装件和管线等重量，使得所建原油转驳船模型的空船质量与实际质量相匹配，原油转驳船空船质量为4829.3t。

19、进一步地，步骤s3中，所述莫理森模型由直径0.02米的梁单元组成，梁单元的拖拽系数取950，并且忽略浮力影响。

20、进一步地，步骤s3中，所述湿表面模型中，随机拖拽用于计算船舶浮态，载荷截面用于计算船舶剖面上的载荷，舱室用于计算舱室内液体质量并且传递舱内液体压力。

21、进一步地，所述步骤s4的具体步骤如下：

22、步骤s4.1：根据装载工况设置原油转驳船的静态载荷，包括船体自重、船舱油水重量和装载货物重量，分别设置如下四种工况：工况1：油水百分数100%，污油舱百分数95%，载重3989.9t，总重8819.2t；工况2：油水百分数100%，污油舱百分数0%，载重3276.5t，总重8105.8t；工况3：油水百分数10%，污油舱百分数95%，载重2904.4t，总重7733.7t；工况4：油水百分数10%，污油舱百分数0%，载重2132.2t，总重6961.5t；

23、步骤s4.2：将原油转驳船在服役过程中的不规则波浪动载荷分解为时域与频域下不停变化的规则波浪动载荷的叠加，分解的规则波浪动载荷变量为所述的载荷分量；载荷分量包括船舯截面的垂向弯矩、垂向剪力、主甲板开口中心处的扭矩、卸载站处的垂向加速度和侧向加速度、船艏部的垂向加速度和侧向加速度、横摇加速度；

24、步骤s4.3：设置原油转驳船水动力模型的载荷截面，通过求解器动态载荷分量传递至原油转驳船的水动力模型，计算各个截面参数处在静态载荷与动态载荷耦合作用下的载荷分量达到最大时所对应的载荷参数；

25、步骤s4.4：通过统计与长期预报手段，获得原油转驳船工作海域的长期预报值；

26、步骤s4.5：根据载荷参数与长期预报值，计算静态载荷与动态载荷耦合作用下的等效载荷幅值。

27、进一步地，所述步骤s6的具体步骤如下：

28、步骤s6.1：利用子模型技术，将原油转驳船的艉部结构从全船结构模型中分离，横向从左舷壳到右舷壳，纵向从底部壳到主甲板；

29、步骤s6.2：细化艉部结构模型的网格，最小网格尺寸50mm；

30、步骤s6.3：在艉部结构模型的边界处设置简支约束；

31、步骤s6.4：对艉部甲板安装绞车处设置反作用力单点静态载荷；

32、步骤s6.5：将整船结构在等效载荷作用下的计算结果中相应工况的边界条件传递至艉部子模型的边界条件，使用求解器进行运算，得到原油转驳船艉部结构在静态载荷与等效载荷耦合作用下的应力分布。

33、进一步地，所述步骤s7中，对筛选出的相应部位的结构进行加强的方法如下：对艉部装载绞车基座附近的甲板进行加厚，提高抵抗弯曲和变形的能力，降低损坏风险；减少艉部支撑框架之间的间距，增加整体强度；在艉部横梁连接和甲板支撑处增加横向和纵向加强筋，防止局部变形，提高结构的完整性。

34、进一步地，步骤s7中，所述许用法向应力不超过355mpa。

35、进一步地，步骤s7中，所述许用剪切应力不超过213mpa。

36、本发明的有益效果在于：本发明引入了一种基于动静载荷耦合作用下的原油转驳船艉部结构强度计算方法，充分考虑服役过程中的动态和静态载荷，通过更精确的强度计算和结构加强，有助于预测和避免潜在的结构问题，提高原油转驳船的安全性，减少结构失效和事故的风险，保护人员和环境的安全。