海上压裂船摇摆时物料罐体结构振动特性研究

摘要

针对海上首台压裂船在海洋载荷作用下诱发物料罐强度失效问题，首次系统地开展了该特殊船用装备在真实海况下的流固耦合振动与强度分析。建立了船舶上典型物料罐及支撑结构件的三维仿真模型，采用了物料罐内部流场与物料罐流固耦合计算方法。基于室内大型水池实验，确定不同海况下船舶加速度数据，模拟海洋载荷的影响。研究发现，随着波浪谱峰周期的增大，罐体变形和应力逐渐增加；随着波高的增加，物料罐的应力和变形都呈现出上升的趋势；在浪向角为90◦时，变形和应力表现出最大状态；随着充液比增加，变形和应力都呈现上升的趋势；随着密度的增大，罐体的最大变形和最大应力逐渐上升。压裂船摇摆时物料罐体结构应力最大值出现频率较高的点位于罐壁底部中间区域折弯处。研究发现物料罐体结构最危险的极端工况为液体密度为1.35 g/cm³、浪向角90◦、波高4 m、波浪谱峰周期13.00 s、充液比95%。研究成果精准识别了罐壁底部折弯处为关键危险区域，明确了最危险的极端工况组合，可为海上压裂船物料罐的局部结构强化设计与安全运营阈值的制定提供直接、关键的理论与数据支撑。

关键词

海上压裂 / 物料罐 / 流固耦合 / 振动特性 / 应力集中

基金资助

国家自然科学基金（52105125）; 中央引导地方科技发展资金（236Z4103G）; 河北省高等高校科学研究项目（JCZX2025001）; 中国博士后自然科学基金（2024M750718）; 河北省燕赵黄金台聚才计划骨干人才项目（博士后平台）（B2024005002）; 四川省重点研发计划（2025YFHZ0285）; 上海交通大学海洋工程全国重点实验室开放基金（2458）