内转塔式月池结构过压分析技术研究(2)
图3 非线性静力分析载荷步加载示意图Fig.3 Load step of nonlinear static analysis
2.3 结果分析
图4 为脉动压力峰值为0.4MPa时的月池结构应力、应变响应云图。此时FPSO舱段模型的最大应力单元出现在月池筒壁结构环形加强框架上,最大等效应力为117MPa,最大等效应变为557E-6,月池内部筒壁结构最大等效应力93MPa,最大等效应变为541E-6,结构未发生塑性变形。
图4 非线性静力分析-0.4MPa 脉动压力Fig.4 Nonlinear static impulse load
随着爆炸载荷的继续增量加载,脉动压力峰值为3.89MPa时,最大等效应力为505MPa,最大等效应变为0.153,材料单元发生塑性失效,月池结构达到最大过压载荷值,如图5所示。
3 非线性动力分析
图5 非线性静力分析-3.89MPa 脉动压力Fig.5 Nonlinear static impulse load
与非线性静力分析不同,动力分析能够考虑载荷随时间变化时结构的力学时历过程,算法上可以考虑阻尼和惯性载荷,对于爆炸、冲击类问题尤为适用。为考察内转塔式FPSO月池结构在过压爆炸载荷作用下的时历响应,采用显式动力分析方法对该过程进行模拟,对比非线性静力分析求解结果,并研究不同脉冲时间对月池结构响应的影响。
3.1 显式动力分析方法
基于显式动力分析理论研究FPSO月池结构在过压爆炸载荷作用下的动力响应,适于处理瞬态、大变形问题。其动力平衡方程如下:
式中:为质量矩阵;为阻尼矩阵;为位移矢量;内力矢量,为刚度矩阵;为外力矢量。
由式(2)计算可得,节点加速度矢量为:
采用中心差分法计算节点速度矢量与位移矢量为:
对于动力分析问题,显式算法非常适用于大矩阵方程的求解,由于显式算法不需要进行矩阵转置与迭代,其所有非线性均包含在内力矢量中,因此在同一时间步内,显式算法较隐式算法的计算效率更高。
3.2 显式动力分析仿真
采用Ansys-Lsdyna软件进行显式动力分析求解,有限元模型如图2所示。使用Ansys-Lsdyna隐式-显式转换功能建立显式动力分析模型,需转换模型单元类型由Shell181,Beam188单元转换为Shell163,Beam161单元,并重新进行显式单元属性和材料定义,有限元模型纯网格尺寸保持不变。
FPSO舱段模型采用分段线性塑性模型,该模型可直接定义与应变率相关的应力-应变曲线。本构模型中采用Cowper-Symonds模型考虑应变率影响,本构关系如下:
式中:为材料有效应变率;为(有效)塑性应变;=4000 和=5 为应变率参数[7为未考虑应变率时的屈服应力。Cowper-Symonds材料本构模型虽然不受温度影响,但是与材料的失效特性有关,因此材料的失效可通过定义失效应变反映。采用Ansys-lsdyna软件中通常使用的有效塑性应变准则,将材料最大有效失效应变值定义为0.152。
爆炸载荷由时间和空间因素共同定义,在爆炸空间场所(水线至主甲板面区域)基本确定后,决定爆炸载荷大小的主要是压力上升时间、最大脉冲峰值及脉冲周期。基于船级社规范的简化确定方法,假定爆炸压力随时间变化的形状函数为三角形脉冲载荷,脉动压力峰值为0.4MPa,脉冲周期为1s,压力上升时间取 0s/0.15s/0.30s/0.50s,研究压力上升时间对结构响应的影响,如图6所示。
图6 三角形载荷-压力上升时间Fig.6 Triangular shape load-overpressure load raising time
3.3 结果分析
3.3.1 应力应变结果
以压力上升时间0.5s爆炸载荷工况为例,图7为爆炸压力载荷在t=0.5s时刻的等效应力和等效应变云图,此时FPSO舱段模型最大等效应力115MPa,最大等效应变为714E-6,月池内部筒壁结构最大等效应力88MPa,最大等效应变为546E-6,结构未发生塑性变形。
图7 压力上升时间 0.50s 爆炸载荷工况Fig.7 Blast condition with raising time=0.50s
3.3.2 压力上升时间对结构响应影响
分析压力上升时间 0s,0.15s,0.30s,0.50s爆炸载荷工况下的计算结果,在4个工况下最大等效应力位置均出现于月池筒壁结构环形加强框架上。图8为4个工况下最大等效应力和最大等效应变随载荷时间变化情况,随着压力上升时间的增长,最大等效应力和等效应变随之下降。
3.3.3 能量吸收规律
压力上升时间 0s,0.15s,0.30s,0.50s典型爆炸载荷工况下总能量(包括内能、动能、摩擦能、沙漏能,其中摩擦能和沙漏能量级太小可忽略)变化关系如图9所示。结果表明,最大爆炸能量与脉冲压力变化相似但最大峰值稍微滞后,压力上升时间越短产生的爆炸能量越大,其中压力上升时间0s工况的最大爆炸能量值为 8000kJ。
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0308/589.html
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