基于ls-dyna的平台定位系统结构强度数值计算方法

文献标识码：A文章编号：1672 - 7649(2019)10 - 0129 - 05 doi： 10.3404/j.issn,1672 - 7649.2019.10.025Numerical calculation method for structural strength of platform

positioning system based on LS-dynaYAN Bo, DONG Hai-feng, ZHU Gang, YUAN Wei, LI Jian, YAO Bai-lian(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)Abstract: The floating stack platform adopts a small stack type for offshore power generation, and provides power en­ergy and hot water resources for offshore facilities such as oil production platfbnns. Its positioning system can ensure that the

floating platform can withstand the harsh sea conditions of wind and waves and thus float stably at sea. Combining the mo­tion characteristics of the floating platform and analyzing the inherent characteristics of the positioning system, an analytical

method for hull displacement based on hydrodynamic calculation and an overall rigid-flexible coupling model based on LS-

dyna is proposed. The kiln displacement is used as input to calculate the dynamic coupling of the structure, and with analyz­ing the force of each system module and motion pair, it can obtain the stress time history curve of key parts and motion pairs.

And the calculation method of the motion posture of each motion pair is given, which provides a reference for engineering application.Key words: platform positioning system； dynamics； numerical method； strength0引言且在系泊装置故障诊断和维修过程中国外单点系泊公

浮式堆平台采用小堆发电型式，将船舶与核电有

司积累了大量工程案例经验，进一步促进了其技术发 展及垄断卩7。因此，开展单点系泊装置的自主研发，

机结合，能够漂浮于海上如同一座海上核电站，可以 为钻井平台、岛礁、沿海居民等提供电力与热水。这 是一项具有开拓性意义的工程，为海核领域开辟了一

条大道⑴。但浮式堆平台自身没有动力设施，其独自

实现单点系泊装置的国产化，建立一条完整的单点系

泊装置生产链，在填补技术空白，打破国外垄断，促 进经济增长，增强国家影响力等方面具有巨大的积极

作用。分析浮动平台定位系统固有特性，对平台船体、

漂浮于海上不具备抵御极端海况的能力，此时需要单 点系泊装置将其固定于海上，才能在任意位置完全发 挥其独特的功能。单点系泊装置在世界范围内由几家

软刚臂系统、固定塔架整体建模，考虑风、浪、流环

公司技术垄断，所以每次进口都需要支付大额费用，

收稿日期:2018 - 10-08境载荷，以水动力计算得到船体位移，基于LS-dyna

作者简介：严波(1991-)男，硕士，工程师，主要研究方向为机械结构设计与仿真分析、单点系泊装置结构设计。• 130 •舰船科学技术第41卷显示动力学建立整体刚柔耦合模型，以船体位移作为

输入对结构进行动力学耦合计算，分析各分系统模

块、运动副的受力，得到关键部位和运动副的应力时 程曲线以及关键节点的位移时程曲线，并给出各运动

副最大受力时的运动姿态。图1平台定位系统Fig. 1 Platform positioning system1平台定位系统建模方法平台定位系统采用软刚臂单点系泊型式，其设计

输入由船体运动决定，而船体位移来自于风浪流的作 用，基于不规则波下船体运动理论，利用Ansys-

AQWA水动力软件，设置波浪谱、波浪周期、波高、

浪向、风速、流速等环境参数，计算平台所受到的时

域环境载荷，包括海浪载荷(1阶波浪力、2阶波浪漂

移力等，得到船体的位移时程曲线。把平台、固定塔 架作为刚体，将软刚臂系统中结构件系泊支架、系泊 腿和系泊刚臂作为变形体，建立整体力学耦合的有限

元模型，基于动力学基础理论，采用LS-dyna进行时

域动态计算，确定最不利载荷组合；得到构件内力时

间历程曲线以及关键部位位移时程曲线，再进行局部

构件的力学分析，得到每一部件在极端载荷工况下的 应力时程曲线，一方面得到结构极值应力，另一方面

将应力时程结果作为疲劳设计输入，得到结构的疲劳

寿命，流程图如图2和图3所示。2平台定位系统数值模型

2.1船体位移计算单点系泊浮式堆平台在迎浪不规则波中的运动主 要包括1阶波频运动和2阶低频纵荡运动，对于1阶

波浪力，其谱密度函数可直接根据波浪谱密度函数

S((y)和波频运动传递函数旧」(小|计算得到。对于1阶波浪力，其谱密度函数可直接根据波浪

谱密度函数S(co)和波频运动传递函数\\计 算得到：5x(w) = |Hx(a>)|2S(6>),

(1)图2平台位移计算流程Fig. 2 Process of platform displacement calculation图3整体动力学计算流程Fig. 3 Process of overall dynamics calculation图4平台位移分析模型Fig. 4 Model of platform displacement analysis对于2阶波浪力，其谱密度函数计算公式为：5p(ju) = 8 f S (a)+pi)S (a>)T2(a>+//,w)da>o

(2)JO式中：Sf@)为波漂力谱；“为差频；S(Q为波浪谱密

度函数；T(3+出⑹为波漂力幅的二次传递函数(QIF)。平均波漂力可由波浪谱密度函数S (Q和平均波漂

力二次传递函数T(o>,s)计算得到：Fwd = 2 J。S (o>)r(w,a>)do>,

(3)系泊船低频纵荡运动的最大值可按下式计算：第41卷严 波，等：基于LS-dyna的平台定位系统结构强度数值计算方法(4)• 131 •前处理采用hypermesh建模，系泊支架采用管单元与 梁单元，系泊腿采用管单元，两端设置球较接转动

^max,lf =

xi ylnN。

副，系泊刚臂采用壳单元及梁单元，旋转塔台采用板

（5）单元，平台与固定塔架设置为刚体，建立整体有限元 动力学模型。式中：b刃为低频纵荡运动标准差；Cii为系统平均刚 度；b为总线性化阻尼；Sf@c）为波漂力谱；Xt为

低频纵荡最大偏移；N为振荡次数。考虑风浪流，在AQWA中建立系泊系统的整体模 型，平台与系泊腿之间采用2个万向节和2个回转装

置连接，释放3个转动自由度，系泊刚臂与系泊腿之 间采用2个万向节连接，释放横摇和纵摇2个自由

度，系泊刚臂与旋转塔台之间采用球較接，具有3个

自由度。建立耦合分析模型之后划分网格，设置相关 参数，耦合分析模型计算网格。由于水面以上部分网

格对水动力计算没有影响，故只对平台水面以下部分 进行网格划分A?]。最终得到船体位移运动曲线，如

图5所示。10987654删删删删刪删删删BS删320

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5

0.6 0.7 0.8 0.9 le4时间/s图5平台纵荡位移Fig. 5 Turbulent displacement of platform2.2动力学建模考虑水动力计算中所有结构均设置为刚体，且结 构模型均作简化处理，所得节点力并不能作为结构强

度计算准确的输入，故提出了将船体位移作为设计输

入，建立包含系泊支架、系泊腿和系泊刚臂的软刚臂 系统与船体、固定塔架之间的刚柔耦合整体模型，将 动力学分析得到的节点位移作为局部构件强度计算的

输入，计算可得应力时域值，结果更加准确且能反映 构件的运动规律，为后续监测提供参考。动力学的通用运动方程为，[M]{u} + [C]{ii} + [K]{u} = {F（t）}0

（6）其中：[如=结构质量矩阵；[€＞结构阻尼矩阵；[K]=

结构刚度矩阵；{F}=随时间变化的载荷函数；⑺戶节 点位移矢量；{«}=节点速度矢量；{闵=节点加速度矢量。LS-dyna是著名的通用显示动力分析程序，以拉格

朗日算法为主，具有强大的非线性处理功能，结合软 刚臂系统运动的多结构耦合非线性问题，采用此软件

能较好的处理模型计算问题[8-10]o如上述流程所示，

图6整体动力学模型Fig. 6 Overall dynamics modelLS-DYNATime=2 Keyword deck by LS-PrePostContours 422.4max ofEffective Stress (v-m) min=0, IP.valueEffective Stress (v-m)max=4.540 at elem#

66e+08, 1

at elen曲 490 154

4.541e^084.087eH-08 |-I3.633eH)8 I3.178e4-08 -I2.724^08 2.270e+08 1.816&4-08 1.362cr08 9.08T07 4.541CT07 0.000&4-00 -图7整体动力学计算结果Fig. 7 Result of overall dynamics model提取K文件，输入船体位移，经过计算可得节点位 移。以系泊腿为例，截取前200s数据，上下两端万向节

發接点处位移如图8~图11所示。将上下较接点的纵 向、垂向位移作为输入，在局部结构模型中建模计 算，得到结构应力时程数据，可进行应力极值分析和

疲劳强度分析。2.3局部构件建模由于整体仿真中将平台（船），旋转塔台甲板等

作为刚体计算，系泊支架、系泊腿、系泊刚臂虽作为 变形体建立了有限元模型，但是进行了一些简化处 理，没有考虑构件特别是构件连接处（万向节，系泊

头轴承）的局部细节。对于需要进行强度和疲劳分析1.50.51.0A nA /-0.50A■,(\\\\l\\/NJ\\\\-1.0\\\\A //-1.5 \\A/f\\ AJ/\\jV-2.0--2.5 V-3.0 20 40

60 80

100 120 140 160

180 200时间/s图8上较接点纵向位移Fig. 8 Longitudinal displacement of the upper hinge point• 132 •舰船科学技术第41卷单元，且采用六面体网格划分，材料选用材料库中的 MATL24Z-12],与常用钢材对应，模型如图12所示。两端吊耳座为刚体，将上下較接点位移数据加载 其上，进行系泊腿整体运动计算，可得结构应力，部

分数据如图13 ~图16所示。综上，可得系泊腿各部件应力时程曲线，图17~

图9上较接点垂向位移图19所示。通过分析可校核结构薄弱环节的极值应力

Fig. 9 Vertical displacement of the upper hinge pointO

图10下较接点纵向位移Fig. 10 Longitudinal displacement of the lower hinge point321012345

0 20 40 60 80 100

120 140 160 180 200时间/s图11下较接点垂向位移Fig. 11 Vertical displacement of the lower hinge point的构件，进一步建立其详细的有限元模型，进行详细

的局部应力计算分析。以软刚臂系统系泊腿为例，采用hypermesh前处理

软件进行建模，系泊腿由上部万向节、系泊腿钢管、

下部万向节组成，上部万向节分为万向接头、回转装

置、吊耳座，下部万向节分为万向接头、法兰盘。系

泊腿钢管由钢板卷制焊接而成。建模中系泊腿孔等结 构简化处理，回转装置部位以及万向接头回转部位采

用刚柔体接触设置，法兰连接考虑螺栓连接及预紧

力，除系泊腿钢管采用壳单元，其余结构均采用实体图12系泊腿有限元模型Fig. 12 Finite element model of mooring leg与疲劳强度。3 结语基于LS-dyna,通过对浮动堆平台定位系统固有特性进行分析，得到如下结论:TO&143 811I9.791e+07- &392e+07- 6.994e+07 - 5.595e+07- 4.196e+07- 2.797e+07- 1.399e+07- 0.000e+00-图13 Z=2s系泊腿应力云图Fig. 13 Mooring leg stress cloud of t=2 s图14戶20 s系泊腿应力云图Fig. 14 Mooring leg stress cloud of t=20 s

图15 Z=100s系泊腿应力云图Fig. 15 Mooring leg stress cloud of 片 100 s图16单元1应力云图Fig. 16 Stress cloud of unit 1第41卷严 波，等：基于LS-dyna的平台定位系统结构强度数值计算方法• 133 •参考文献：[1 ]《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程FPSO与

单点系泊系统设计[M].北京:石油工业出版社,2007.[2 ] XIAO L, YANG J and LI X. Shallow water effects on surge

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时间/s2007,21: 187-196.图17单元1应力曲线Fig. 17 Stress curve of unit 1[3 ] API. Design and analysis of station keeping systems for

floating structures[S]. API RP 2SK, 2005.[4]许海东.软钢臂单点系泊系统系泊腿损坏故障分析及改进

图18单元2应力云图Fig. 18 Stress cloud of unit 22.5. lllllIL1lIILij] |,inIiLJ,JL0 10

20 30 40 50

60 70 80 90 100时间/s图19单元2应力曲线Fig. 19 Stress curve of unit 21）

结合浮动平台定位系统的固有特性，提出了一

种以水动力计算得到船体位移，将船体位移作为输入 对结构进行动力学耦合计算，分析各分系统模块、运

动副的受力，求得关键部位和运动副的应力时程曲线

以及关键节点的位移时程曲线的方法。2）

基于LS-dyna显示动力学，建立了平台船体、

软刚臂系统、固定塔架整体刚柔模型，计算得到节点

位移，并以节点位移建立局部模型，得到了结构应力

时程曲线，验证了建模思路的可行性。3）

通过分析节点位移曲线，结构应力时程曲线，

可得软刚臂系统系泊腿运动规律，以及其结构薄弱环

节，并后续可将应力结果作为输入进行结构疲劳强度 校核，具有一定的工程应用价值。4）

建立的整体刚柔耦合模型计算速度较为缓慢，

模型网格、构件简化等方面还有改善空间，后续针对

这方面会进行相关优化，提高模型计算效率。措施[J].企业技术开发,2013(3): 32-9.XU Haidong. Fault Analysis and Improvement Measures for

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