根据船体变形和管线温差变形复合的管线应力计算方法与流程

1.本技术涉及船舶设计技术领域，尤其涉及一种根据船体变形和管线温差变形复合的管线应力计算方法。


背景技术：

2.浮式生产储油船(floating production storage and offloading，fpso)漂浮于深海海域，在不同作业海况和装载工况下，沿船体纵向产生中垂和中拱，船体结构会发生变形，与船体结构相连的管支架同样会发生变形。另外，系统工作时，由于温差也会导致管线发生变形。为了确保fpso管系在作业工况(包含极端工况)下仍然能够正常作业，管线及支架不被破坏，需要在管线应力计算时考虑船体变形和管线变形。
3.传统的管线应力分析在考虑船体变形的时候，需要根据管线支架布置，在船体结构模型中计算出每个管线支架处的变形值，对于管线较多、系统较复杂、支架较多的系统来说，这是一项非常庞大的工作，计算出支架处的变形值后，再把每个支架处的变形值输入到应力计算模型，工作量巨大，还容易出错。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种根据船体变形和管线温差变形复合的管线应力计算方法，包括：
5.根据管线相对于中性轴的高度，确定所述管线相对于主甲板位置的船体变形值；
6.获取所述管线所在环境的环境温度，根据所述环境温度与设计最高温度和设计最低温度，确定所述管线的膨胀变形值和收缩变形值；
7.根据所述船体变形值、所述膨胀变形值和所述收缩变形值，确定所述管线的复合变形值。
8.在一些实施例中，所述根据管线相对于中性轴的高度，确定所述管线相对于主甲板位置的船体变形值，包括：
9.以所述中性轴高度为基准，所述中性轴距离主甲板为z1，所述主甲板上单位长度变形值为
△
xmain，所述管线相对于所述中性轴的高度为z2，所述管线相对于所述主甲板位置的船体变形值为
△
x，其计算公式为：
10.△
x＝(z2/z1)*
△
xmain。
11.在一些实施例中，所述船体变形值包括中拱变形值或中垂变形值。
12.在一些实施例中，所述获取所述管线所在环境的环境温度，根据所述环境温度与设计最高温度和设计最低温度，确定所述管线的膨胀变形值和收缩变形值，包括：
13.所述设计最高温度为t
dmax
，所述设计最低温度为t
dmin
，环境温度为ta，第一温差
△
t1＝t
dmax-ta，第二温差
△
t2＝ta-t
dmin
；
14.根据
△
t1和
△
t2确定所述膨胀变形值ε1和所述收缩变形值ε2；
15.ε1＝α
×
δt1,ε2＝α
×
δt2，α为材料的膨胀系数。
16.在一些实施例中，所述根据
△
t1和
△
t2确定所述膨胀变形值ε1和所述收缩变形值ε2，包括：
17.将
△
t1和
△
t2输入预设的温差变形模型，得到所述温差变形模型输出的所述膨胀变形值ε1和所述收缩变形值ε2。
18.在一些实施例中，所述根据所述船体变形值、所述膨胀变形值和所述收缩变形值，确定所述管线的复合变形值，包括：
19.将所述船体变形值、所述膨胀变形值和所述收缩变形值叠加，得到所述复合变形值，即：
20.δ1＝ε1+
△
x，δ1为船体变形值和膨胀变形值得到的复合变形值；
21.δ2＝ε2
‑△
x，δ2为船体变形值和收缩变形值得到的复合变形值。
22.本发明上述实施例的有益效果包括：
23.根据管线相对于中性轴的高度，不管是高于主甲板，还是低于主甲板的管线，都可以快速计算出同一高度处管线相对于主甲板位置的中垂中拱变形值，比传统的利用有限元计算各支架处的变形更加简单且快速；管线高度确定后，此高度的管线沿船体纵向的变形值就确定了，计算准确度高，并减小了工作量。
附图说明
24.附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
25.图1为本发明实施例一种根据船体变形和管线温差变形复合的管线应力计算方法的流程示意图；
26.图2为船体变形值示意图；
27.图3为复合变形值输入界面示意图；
28.图4为复合变形显示示意图。
具体实施方式
29.为了能够更加详尽地了解本技术实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本技术实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本技术实施例。
30.在本技术实施例记载中，需要说明的是，除非另有说明和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
31.需要说明的是，本技术实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本技术的实施例可以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
32.本发明实施例提供一种根据船体变形和管线温差变形复合的管线应力计算方法，如图1所示，该方法包括以下步骤101至步骤103。
33.步骤101，根据管线相对于中性轴的高度，确定管线相对于主甲板位置的船体变形值。
34.在一些实施例中，根据管线相对于中性轴的高度，确定管线相对于主甲板位置的船体变形值，包括：
35.以中性轴高度为基准，z为距离船体中性轴的高度，中性轴距离主甲板为z1，主甲板上单位长度变形值为
△
xmain，如图2所示。
36.管线相对于中性轴的高度为z2，管线相对于主甲板位置的船体变形值为
△
x，其计算公式为：
37.△
x＝(z2/z1)*
△
xmain。
38.这里，
△
x的单位为mm/m，主甲板上单位长度为1m，z1和z2的单位为m。
39.船体变形分为两种，一种是中拱变形，一种是中垂变形。对应地，船体变形值包括中拱变形值或中垂变形值。
40.中拱变形时，
△
xmain为正值，即：
△
x＝(z2/z1)*
△
xmain
41.中垂变形时，
△
xmain为负值，即：
△
x＝-(z2/z1)*
△
xmain
42.步骤102，获取管线所在环境的环境温度，根据环境温度与设计最高温度和设计最低温度，确定管线的膨胀变形值和收缩变形值。
43.管线的温差变形主要是由于环境温度与设计最高温度或设计最低温度不同，两者的温度差导致管子会发生膨胀或者收缩，从而在管支架上产生载荷。
44.在一些实施例中，获取管线所在环境的环境温度，根据环境温度与设计最高温度和设计最低温度，确定管线的膨胀变形值和收缩变形值，包括：
45.设计最高温度为t
dmax
，设计最低温度为t
dmin
，环境温度为ta，第一温差
△
t1＝t
dmax-ta，第二温差
△
t2＝ta-t
dmin
。
46.根据
△
t1和
△
t2确定膨胀变形值ε1和收缩变形值ε2。这里，ε1和ε2的单位为mm/m。
47.在一些实施例中，根据
△
t1和
△
t2确定膨胀变形值ε1和收缩变形值ε2，包括：
48.将
△
t1和
△
t2输入预设的温差变形模型，得到温差变形模型输出的膨胀变形值ε1和收缩变形值ε2。ε1＝α
×
δt1,ε2＝α
×
δt2，α为材料的膨胀系数。
49.步骤103，根据船体变形值、膨胀变形值和收缩变形值，确定管线的复合变形值。
50.在一些实施例中，根据船体变形值、膨胀变形值和收缩变形值，确定管线的复合变形值，包括：
51.将船体变形值、膨胀变形值和收缩变形值叠加，得到复合变形值，即：
52.δ1＝ε1+
△
x，δ1为船体变形值和膨胀变形值得到的复合变形值；
53.δ2＝ε2
‑△
x，δ2为船体变形值和收缩变形值得到的复合变形值。
54.在一些实施例中，fpso管线应力分析采用caesarii软件，caesarii是本领域的管线应力分析软件。根据规范asme b31.3和船东的要求，船体变形必须考虑。复合变形值输入见图3。输出的复合变形显示结果如图4所示。
55.本发明上述实施例具有以下优点：
56.快速性
57.根据管线相对于中性轴的高度，不管是高于主甲板，还是低于主甲板的管线，利用公式
△
x＝(z2/z1)*
△
xmain都可以快速计算出同一高度处管线相对于主甲板位置的中垂中拱变形值，比传统的利用有限元计算各支架处的变形更加简单且快速。
58.准确度高
59.管线高度确定后，此高度的管线沿船体纵向的变形值就确定了，计算准确度高。
60.工作量小
61.软件中按照管段直接输入变形数值，在同一高度沿船体纵向的管线变形值是一样的，横向和垂向布置的管线不考虑中垂中拱变形。传统的方法需要在每个支架处输入变形值，数据多，工作量巨大。而本方法大大减小了工作量，同时避免了数值输入错误。
62.本技术实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
63.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种根据船体变形和管线温差变形复合的管线应力计算方法，其特征在于，所述方法包括：根据管线相对于中性轴的高度，确定所述管线相对于主甲板位置的船体变形值；获取所述管线所在环境的环境温度，根据所述环境温度与设计最高温度和设计最低温度，确定所述管线的膨胀变形值和收缩变形值；根据所述船体变形值、所述膨胀变形值和所述收缩变形值，确定所述管线的复合变形值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据管线相对于中性轴的高度，确定所述管线相对于主甲板位置的船体变形值，包括：以所述中性轴高度为基准，所述中性轴距离主甲板为z1，所述主甲板上单位长度变形值为
△
xmain，所述管线相对于所述中性轴的高度为z2，所述管线相对于所述主甲板位置的船体变形值为
△
x，其计算公式为：
△
x＝(z2/z1)*
△
xmain。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述船体变形值包括中拱变形值或中垂变形值。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述管线所在环境的环境温度，根据所述环境温度与设计最高温度和设计最低温度，确定所述管线的膨胀变形值和收缩变形值，包括：所述设计最高温度为t
dmax
，所述设计最低温度为t
dmin
，环境温度为ta，第一温差
△
t1＝t
dmax-ta，第二温差
△
t2＝ta-t
dmin
；根据
△
t1和
△
t2确定所述膨胀变形值ε1和所述收缩变形值ε2；ε1＝α
×
δt1,ε2＝α
×
δt2，α为材料的膨胀系数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据
△
t1和
△
t2确定所述膨胀变形值ε1和所述收缩变形值ε2，包括：将
△
t1和
△
t2输入预设的温差变形模型，得到所述温差变形模型输出的所述膨胀变形值ε1和所述收缩变形值ε2。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述船体变形值、所述膨胀变形值和所述收缩变形值，确定所述管线的复合变形值，包括：将所述船体变形值、所述膨胀变形值和所述收缩变形值叠加，得到所述复合变形值，即：δ1＝ε1+
△
x，δ1为船体变形值和膨胀变形值得到的复合变形值；δ2＝ε2
‑△
x，δ2为船体变形值和收缩变形值得到的复合变形值。

技术总结
本发明实施例提供一种根据船体变形和管线温差变形复合的管线应力计算方法，包括：根据管线相对于中性轴的高度，确定管线相对于主甲板位置的船体变形值；获取管线所在环境的环境温度，根据环境温度与设计最高温度和设计最低温度，确定管线的膨胀变形值和收缩变形值；根据船体变形值、膨胀变形值和收缩变形值，确定管线的复合变形值。定管线的复合变形值。定管线的复合变形值。


技术研发人员：王超 袁洪涛 尹艳 杨含坤 周波 梁明霄 文艳 刘海冬
受保护的技术使用者：上海外高桥造船有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/9