FPSO尾靠外输碰撞性能分析及耐撞结构设计

摘要

作为一种综合大型海洋石油生产基地，FPSO的应用范围遍及各种深度的海域及边际油田的石油开采作业，目前FPSO已成为海洋油气资源开发的主要装备。FPSO的油气是通过穿梭油轮来进行运转的，两者主要是以尾靠外输或旁靠外输的形式进行输油作业。由于尾靠外输比旁靠外输更能适应复杂的海况作业条件，具有更高的安全性，所以目前FPSO普遍采用尾靠外输形式。 FPSO与穿梭油轮进行尾靠作业外输过程中，穿梭油轮首部可能发生撞击FPSO尾部的事故，称为“尾碰”。尾碰事故往往会造成FPSO尾部结构的损坏，导致大量原油泄漏，造成海洋环境污染，并有可能危及作业人员生命安全及造成巨大的财产损失等严重后果。因此，本文重点是研究尾靠外输作业过程中可能发生的尾碰事故。为了提高FPSO尾部结构的耐撞性能，保障其在尾靠外输作业期间的安全性，在设计阶段对尾碰性能进行分析评估，并基于碰撞性能的分析结果对FPSO尾部结构开展进一步的优化设计具有重要的意义。 本文针对某15万吨级FPSO，参考FPSO尾靠外输作业场景选定本文的碰撞场景，基于非线性有限元分析软件ABAQUS，采用同步损伤分析法模拟了尾靠外输作业过程中发生过分纵荡运动和鱼尾运动时FPSO尾部与穿梭油轮首部的碰撞事故，并对分别采用简化分析法和同步损伤分析两种方法的计算时间和碰撞后的结构响应进行比较分析。通过分析“尾碰”后结构的损伤变形、应力应变关系、碰撞力和吸能情况，对FPSO尾部结构的碰撞性能进行评估。此外，本文还研究了撞击参数对碰撞响应的影响，如撞击速度和撞击角度。 本文基于碰撞性能评估结果，结合正交试验设计、BP神经网络和遗传算法等智能优化算法对FPSO尾部结构进行耐撞性优化设计。选定吸能能力较强的尾部构件的板厚作为优化设计变量，建立以单位质量吸能和单位质量变形为耐撞性指标的优化设计目标函数，并结合制造工艺确定约束条件，建立了FPSO尾部结构的优化设计数学模型，通过对比不同优化方法最佳设计方案的耐撞性指标值，得到了耐撞性能最优的设计方案，此研究结果可以为FPSO尾部结构的耐撞性设计提供参考。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 FPSO尾碰的研究背景及意义

1.2 船舶碰撞问题的研究方法

1.3 FPSO尾碰问题的研究现状

1.4 本文主要内容

2 碰撞力学性能数值仿真分析技术

2.1 ABAQUS显式求解法

2.2 碰撞运动方程的显式求解法

2.3 材料模型

2.3.1 材料的应变率敏感性及本构方程

2.3.2 材料的定义方法及失效准则

2.4 沙漏控制

2.5 接触模型

2.5.1 接触算法

2.5.2 接触属性

2.6 碰撞过程中流体的处理方法

2.6.1 流固耦合法

2.6.2 附加质量法

2.7 本章小结

3 基于同步损伤分析法的FPSO尾碰的数值仿真分析

3.1 FPSO尾靠外输的碰撞场景

3.2 FPSO尾碰的有限元模型

3.2.1 FPSO尾部与穿梭油轮首部的有限元模型

3.2.2 有限元模型的材料、接触设置及流体的处理方法

3.3 过分纵荡运动引起的FPSO尾碰的同步损伤分析方法研究

3.3.1 有限元模型的边界条件及加载

3.3.2 碰撞仿真结果及分析

3.3.3 不同撞击速度下FPSO尾部碰撞性能影响分析

3.4 鱼尾运动引起的FPSO尾碰的同步损伤分析方法研究

3.4.1 有限元模型的边界条件及加载

3.4.2 碰撞的仿真结果及分析

3.4.3 不同撞击角度下FPSO尾部碰撞性能影响分析

3.5 本章小结

4 FPSO尾部结构耐撞优化设计

4.1 结构优化设计的基本原理

4.1.1 优化设计的数学模型

4.1.2 正交试验设计

4.1.3 BP神经网络

4.1.4 遗传算法

4.1.5 BP-GA优化算法

4.2 FPSO尾部结构碰撞仿真的简化分析法

4.2.1 简化分析法的碰撞仿真模型

4.2.2 简化分析法的碰撞仿真结果及分析

4.2.3 简化分析法与同步损伤分析法碰撞仿真结果的比较及分析

4.3 FPSO尾部结构耐撞性能优化设计

4.3.1 耐撞性能优化的数学模型

4.3.2 正交试验设计与直观分析

4.3.3 基于GA的BP神经网络优化算法

4.3.4 BP-GA优化分析

4.3.5 优化结果比较与分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书