0 引 言

FPSO是集生产、储油、卸油于一体的海上浮式生产储卸油装置，具有抗风浪能力强、适应水深范围广、机动灵活、储卸油能力大等优点，为当前海工结构开发的热点。FPSO依靠特殊的系泊系统锚固在海上，在FPSO所采用的各种系泊系统中，内转塔式单点系泊系统的应用最为广泛，是影响FPSO安全性的关键技术所在。

内转塔式单点系泊系统具有两大基本功能：一是通过特殊连接方式将FPSO系泊于海上系泊点，使其随风浪流作用进行360°全方位自由旋转，形成风向标效应，大大降低FPSO在海上作业时的环境载荷；二是内转塔系统是FPSO与海上井口平台连接的唯一通道，通过海底管道及通信电缆实现FPSO与海底井口平台之间不间断的油气输送和信息传输。内转塔系统是单点式FPSO的核心设备，一旦发生油气泄漏爆炸将对FPSO油气生产系统造成毁灭性打击，因此对爆炸载荷作用下FPSO月池结构的过压分析具有重要意义[1–5]。

本文对FPSO月池结构在爆炸过压载荷作用下的结构响应进行研究。1）采用非线性静力分析方法，考虑材料弹塑性影响，确定月池结构在增量加载至爆炸载荷极值过程中的应力应变响应；2）采用非线性动力分析方法，考虑不同爆炸载荷作用过程（脉冲时间和脉冲峰值），研究月池结构在爆炸载荷作用下的时历变形、应变及能量吸收关系。对比2种计算方法，总结爆炸载荷作用下月池结构的应力应变响应规律。

1 月池结构介绍

以某内转塔式单点系泊FPSO首部单点舱月池结构作为研究对象，建立包括第1货油舱、单点舱、首尖舱的三舱段结构模型，舱段总长L=114m，宽B=64m，高H=33m，如图1所示。月池结构材料为高强钢AH32，屈服应力 315MPa，极限拉伸强度 505MPa，断裂应变0.153，月池筒形结构壁厚35mm。

图1 月池结构几何尺寸示意图Fig.1 Geometry parameter of moonpool structure

2 非线性静力分析

2.1 非线性静力分析方法

非线性静力分析方法通常采用牛顿迭代或者改进的牛顿迭代法，通过对结构平衡方程中的刚度矩阵转置进行迭代求解获得收敛的计算结果。该方法不考虑时间效应、惯性载荷影响，通过对结构施加单调递增载荷使结构达到给定位移或应变状态，结合材料本构模型的弹塑性特征，获得载荷变化过程中结构的非线性响应。

尽管非线性静力分析方法不考虑阻尼、惯性效应，但是对于不考虑外载荷时历变化影响的弹塑性分析，其计算精度处于工程应用可接受范围内。对于本文内转塔式FPSO月池结构过压分析，采用非线性静力分析能够得到合理的求解结果。相比于动力分析方法，非线性静力分析方法的另一个计算优势是能够通过细致的载荷步加载得到结构的极限承载载荷，便于评估结构的极限过压载荷，而采用动力分析方法则需要多次的迭代试算才能实现该目的，非常费时费力。

2.2 非线性静力分析仿真

根据图1所示月池结构几何尺寸示意图，使用A n s y s软件建立非线性静力分析有限元模型，如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

为准确模拟结构弹塑性性能，使用Shell181，Beam188单元建模，其中第1货油舱和艏尖舱网格尺寸按肋骨间距建模，包括甲板、外板、横框架、纵桁等，单点舱采用细网格尺寸（50mm×50mm）建模，以准确捕捉单元失效，在爆炸区域-月池筒壁及相邻扶强材结构的网格尺寸设置最密，并逐渐向外部过渡，爆炸区域全部采用板单元模拟，其他粗网格区域则采用板梁单元组合模拟。

材料模型采用多线性随动强化模型，通过定义多线性的应力-应变曲线模拟随动强化效应，该模型适用于服从Mises屈服准则的小应变塑性分析，一般钢材等金属材料均适用，当实际应变值超过输入曲线终点时，按理想塑性材料行为模拟。其本构关系如下：

式中：为每段材料曲线的屈服应力；，为材料曲线折点处的应力和应变（见表1）；为泊松比；为杨氏模量。

表1 材料曲线数据点Tab.1 Material curve dataimages/BZ_121_1342_2568_1379_2593.png/MPa 274.9 306.6 315.0 505.3 images/BZ_121_1384_2636_1413_2661.png0.001 0.004 0.020 0.153

在FPSO舱段模型尾部端面节点上施加刚性约束，对月池筒体区域（水线至主甲板面区域）施加均布面压力模拟爆炸载荷，根据船级社规范规定[6]，封闭的内转塔式月池结构爆炸压力载荷的脉动压力峰值为 0.4MPa，因此以 0.04MPa 间隔单调递增加载至 0.4MPa，得到月池结构的弹塑性响应结果，并继续单调递增（改为自动载荷步）加载载荷至结构失效，以获取月池结构的最大过压载荷值，载荷步加载示意如图3所示。

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