船舶碰撞下自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及主要撞擊參數(shù)分析

林一，李陳峰，田明琦

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.上海中集海洋工程研發(fā)中心，上海 201206)

目前全世界約有364座自升式平臺(tái)，遠(yuǎn)超其他型式的移動(dòng)式平臺(tái)，使用率更是高達(dá)75%左右.但其在海上開展鉆井或采油作業(yè)時(shí)，遭遇船舶碰撞存在很大的可能性.HSE［1］根據(jù)WOAD數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)移動(dòng)式平臺(tái)給出的嚴(yán)重災(zāi)害事故發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)自升式平臺(tái)每年的事故率為0.141 3，其中超過(guò)1/3造成了中等或者嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷.因此，在設(shè)計(jì)階段考慮自升式平臺(tái)遭遇碰撞載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性顯得十分有必要.

碰撞是一種復(fù)雜的非線性瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，碰撞區(qū)構(gòu)件迅速超越彈性階段而進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，并可能出現(xiàn)撕裂、屈曲等各種形式的破壞或失效.與其他海洋結(jié)構(gòu)物相比，自升式平臺(tái)柔性更大，但結(jié)構(gòu)冗余度更低，遭遇碰撞沖擊后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和吸收沖擊能量的能力也有明顯區(qū)別，對(duì)于嚴(yán)重的沖擊損傷只能提供有限的抵抗力.Pedersen［2］、Zhang［3］采用解析法對(duì)海洋平臺(tái)遭遇船舶碰撞進(jìn)行了分析.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者［4］采用簡(jiǎn)化的數(shù)值方法開展了此類問題的研究.但上述研究中對(duì)碰撞問題作了相應(yīng)簡(jiǎn)化，假設(shè)結(jié)構(gòu)局部變形獨(dú)立于整體變形，認(rèn)為彈性變形的貢獻(xiàn)可以忽略.然而該處理方法忽略了動(dòng)態(tài)效應(yīng)等關(guān)鍵因素，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)能量吸收與真實(shí)情況存在一定的偏差.同時(shí)，目前的研究沒有全面地考慮自升式平臺(tái)的初始狀態(tài)，即海洋平臺(tái)在碰撞發(fā)生時(shí)由于風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境載荷作用，結(jié)構(gòu)存在一定的應(yīng)力與變形(類似結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力).此外，目前關(guān)于自升式平臺(tái)/船舶碰撞的研究主要集中在結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的研究，沒有考慮碰撞發(fā)生后平臺(tái)整體傾覆的可能，忽略了對(duì)平臺(tái)碰撞后剩余強(qiáng)度的研究，這是不全面的.

本文基于非線性有限元方法，考慮自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)以及碰撞結(jié)束后的剩余強(qiáng)度，提出了一種自升式平臺(tái)/船舶碰撞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法.采用該方法，以某300英尺工作水深的自升式平臺(tái)為例，考慮其初始狀態(tài)，對(duì)其碰撞動(dòng)力響應(yīng)與剩余強(qiáng)度進(jìn)行了分析.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察了各撞擊參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷和動(dòng)力響應(yīng)的影響.

1 平臺(tái)碰撞問題的計(jì)算原理

1.1 碰撞分析的顯示求解

碰撞過(guò)程的平衡方程為

式中:M為質(zhì)量矩陣，an為加速度向量，F(xiàn)next為外載荷矢量，F(xiàn)nint為內(nèi)載荷矢量，F(xiàn)nres為剩余力矢量.其中:

式中:C為阻尼矩陣，vn為速度向量，K為剛度矩陣，dn為位移向量.

由式(1)可知加速度向量an為

采用中心差分法，可得速度和位移:

1.2 平臺(tái)碰撞特點(diǎn)

自升式平臺(tái)/船舶碰撞主要發(fā)生在水線面附近的樁腿處，碰撞導(dǎo)致樁腿搖擺引起的附連水質(zhì)量不可忽略.此外，平臺(tái)材料用鋼等級(jí)較高，其力學(xué)特性與碰撞響應(yīng)及最終的結(jié)構(gòu)狀態(tài)息息相關(guān).

1.2.1 附連水質(zhì)量

撞擊船縱蕩的附連水質(zhì)量處理方法目前比較統(tǒng)一，常認(rèn)為是撞擊船質(zhì)量的10%［5］.而碰撞過(guò)程，平臺(tái)的有效質(zhì)量通常包括附連水質(zhì)量、附連土質(zhì)量以及樁腿上附加海生物質(zhì)量.自升式平臺(tái)在樁腿入土不深的情況下，附連土質(zhì)量可以忽略，附連水質(zhì)量系數(shù)按式(6)～(7)計(jì)算［6］，本文取0.711.

式中:CMi為單獨(dú)構(gòu)件的慣性力系數(shù)，CAi為單獨(dú)構(gòu)件的附連水質(zhì)量系數(shù)，CAc為樁腿單位高度的附連水質(zhì)量系數(shù)，Ae為樁腿單位高度的等效面積，Ai為單獨(dú)構(gòu)件的等效面積.

1.2.2 平臺(tái)用鋼力學(xué)特性

平臺(tái)碰撞是一個(gè)動(dòng)力過(guò)程，其材料模型中應(yīng)當(dāng)引入應(yīng)變率敏感性的影響，本文選取目前常用的Cowper-Symonds本構(gòu)方程，其雙線性強(qiáng)化彈塑性模型為

式中:σ0是在塑性應(yīng)變率˙ε時(shí)的動(dòng)屈服應(yīng)力，σ0是相應(yīng)的靜屈服應(yīng)力，D和q是應(yīng)變率敏感性參數(shù)，由材料試驗(yàn)得到.

材料的失效準(zhǔn)則是平臺(tái)碰撞分析關(guān)心的核心問題，它的取值直接關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生塑性大變形，當(dāng)變形到達(dá)一定值時(shí)，結(jié)構(gòu)將會(huì)完全破壞從而不再具有碰撞抗力，目前一般用結(jié)構(gòu)最大塑性應(yīng)變?chǔ)舝來(lái)表征其失效準(zhǔn)則.由于平臺(tái)樁腿各構(gòu)件用鋼存在不同，本文參照文獻(xiàn)［7］進(jìn)行選取 εr，詳見表1.

表1 樁腿構(gòu)件材料Table 1 material of legs

2 平臺(tái)碰撞數(shù)值仿真方法

2.1 碰撞分析步驟

采用數(shù)值仿真方法處理平臺(tái)碰撞問題時(shí)，需要考慮其碰撞前在環(huán)境載荷作用下的初始狀態(tài)、碰撞過(guò)程中的能量吸收、碰撞結(jié)束后的剩余強(qiáng)度等一系列復(fù)雜問題.本文基于非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析軟件MSC/DYTRAN，采用顯式積分法，提出了一種評(píng)估此類問題的結(jié)構(gòu)分析方法，其基本步驟如下:

1)初始狀態(tài)分析:根據(jù)碰撞時(shí)海洋環(huán)境參數(shù)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力分析;

2)自由振動(dòng)分析:由于需要考慮碰撞沖擊造成的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，因此對(duì)平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析;

3)碰撞過(guò)程非線性瞬態(tài)分析:主要考察碰撞過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形損傷、能量吸收、整體位移等關(guān)心的問題;

4)剩余強(qiáng)度分析:若平臺(tái)未在碰撞過(guò)程中直接損毀或倒塌，需要按照當(dāng)?shù)睾Ｓ蛞荒暌挥龅沫h(huán)境條件對(duì)其進(jìn)行剩余強(qiáng)度的校核.

2.2 計(jì)算模型

文獻(xiàn)［8］指出，自升式平臺(tái)在其壽命期內(nèi)主要有3種狀態(tài):站立狀態(tài)、油田內(nèi)拖航狀態(tài)、遠(yuǎn)洋拖航狀態(tài).其中，站立狀態(tài)的碰撞事故占到事故總數(shù)的75%，而補(bǔ)給船碰撞占碰撞事故總數(shù)的63.4%，因此研究自升式平臺(tái)站立狀態(tài)與補(bǔ)給船碰撞是合理的.同時(shí)研究這些事故數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，事故船的排水量集中在1 200～11 500 t，平均排水量約為3 300 t，95%的船舶排水量在5 000 t以下.因此本文選取一艘排水量為5 000 t的補(bǔ)給船作為碰撞研究中的撞擊船，這與DNV船級(jí)社推薦5 000 t排水量是一致的.

自升式平臺(tái)/船舶碰撞事故中，由于自升式平臺(tái)的樁腿相對(duì)撞擊船結(jié)構(gòu)而言柔性較大，因此可以認(rèn)為平臺(tái)吸收了所有的沖擊能量［7］，撞擊船可簡(jiǎn)化處理為剛性體.同時(shí)，平臺(tái)的損傷具有典型的局部性特征，即碰撞區(qū)域外的結(jié)構(gòu)往往不發(fā)生塑性變形，因此為了降低運(yùn)算量，計(jì)算平臺(tái)模型采用“板殼—梁元”嵌入式模型，僅在碰撞區(qū)域采用板殼模型(圖1).為了合理的表征碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)的塑性大變形，碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)單元應(yīng)適當(dāng)細(xì)化，端部約束參考文獻(xiàn)［9］在泥面下10英尺處鉸支約束.試算表明，上述模型化手段是可行的.

計(jì)算選用的自升式鉆井平臺(tái)采用三樁腿桁架式結(jié)構(gòu)，樁腿為K型連接，最大工作水深300英尺，最大鉆井深度30 000英尺，入ABS級(jí)，見圖2.

圖1 碰撞有限元模型Fig.1 FE model of jack-upcollision

圖2 目標(biāo)平臺(tái)側(cè)視Fig.2 Outboard profile of jack-up

2.3 碰撞分析參數(shù)

2.3.1 撞擊方向

船舶在撞擊弦桿時(shí)存在艏碰、艉碰、側(cè)碰3種情況;撞擊撐桿時(shí)存在艏碰和艉碰2種情況.文獻(xiàn)［10］指出，對(duì)于補(bǔ)給船，艉碰的可能性占到70%，側(cè)碰占到20%.因此，選擇艉碰作為主要的碰撞型式.

碰撞點(diǎn)是否穿過(guò)平臺(tái)重心發(fā)生對(duì)心碰撞和非對(duì)心碰撞也會(huì)造成巨大的后果差異.由于平臺(tái)的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，非對(duì)心碰撞時(shí)很有可能發(fā)生的，這種情況下大多數(shù)碰撞能量會(huì)轉(zhuǎn)化成平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)能量.因此，對(duì)心碰撞是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的最危險(xiǎn)工況，本文選擇的碰撞方向如圖3所示.

圖3 碰撞方向示意Fig.3 Vessel orientation

2.3.2 撞擊速度

根據(jù)對(duì)北海平臺(tái)事故的統(tǒng)計(jì)資料和HSE的指導(dǎo)文件，74%的平臺(tái)碰撞事故發(fā)生時(shí)海浪有義波高在1～4 m之間，其中有義波高為4 m的情況發(fā)生最多.因此，典型的船舶失去動(dòng)力在波浪誘導(dǎo)下撞擊自升式平臺(tái)的速度可以按式(9)計(jì)算得到

式中:Hs為有義波高，vs為船舶撞擊速度.

由歷史統(tǒng)計(jì)資料和式(9)可知，典型的船舶碰撞速度為2 m/s，這也與DNV船級(jí)社和HSE推薦的碰撞速度相一致.

2.3.3 撞擊位置

本文選取300英尺水深作為平臺(tái)的碰撞場(chǎng)景，補(bǔ)給船的吃水選擇為結(jié)構(gòu)吃水.垂向的典型撞擊位置一般選取平臺(tái)的弦桿和撐桿.弦桿相較撐桿具有較大的強(qiáng)度，起到樁腿的支撐作用，發(fā)生明顯的損壞是不允許的.基于其重要性，本文選取弦桿作為典型撞擊位置.

3 算例分析

3.1 初始狀態(tài)分析

自升式平臺(tái)在碰撞前受到環(huán)境載荷作用，結(jié)構(gòu)存在初始位移和初始應(yīng)力，這會(huì)對(duì)碰撞結(jié)果造成一定的影響，因此在碰撞分析前進(jìn)行預(yù)應(yīng)力分析顯得很有必要.

由上文可知，74%的平臺(tái)碰撞事故發(fā)生時(shí)海浪有義波高為1～4 m之間，其中以4 m最為典型;95%的平臺(tái)事故發(fā)生時(shí)風(fēng)速為20 m/s.為了考慮最為危險(xiǎn)的工況，浪向和風(fēng)向均與補(bǔ)給船撞擊方向相一致，計(jì)算結(jié)果見圖4:撞擊區(qū)域的初應(yīng)力約為30 MPa，相較于其鋼材屈服極限僅是一個(gè)小值;平臺(tái)主體由于結(jié)構(gòu)剛度較大，初應(yīng)力值僅為40 MPa，因此本文在碰撞分析中將其處理為剛性梁不會(huì)對(duì)計(jì)算精度造成影響.

圖4 平臺(tái)初應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.4 Initial state of jack-up

3.2 自由振動(dòng)分析

對(duì)于典型的自升式平臺(tái)碰撞，碰撞力作為一個(gè)外界激振力，將導(dǎo)致平臺(tái)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，無(wú)論是在碰撞分析中還是對(duì)平臺(tái)進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，這種動(dòng)態(tài)效應(yīng)都不可忽略.一般根據(jù)碰撞時(shí)間t和平臺(tái)自振周期T的比值t/T來(lái)選取動(dòng)力放大因子DAF，將其處理成慣性載荷從而考慮動(dòng)態(tài)效應(yīng)的影響.

本文首先對(duì)平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，得到平臺(tái)計(jì)及附連水質(zhì)量的濕模態(tài)結(jié)果如圖5.在計(jì)算時(shí)考慮前三階模態(tài)，使用簡(jiǎn)化的梁系模型.根據(jù)一階模態(tài)的計(jì)算結(jié)果，目標(biāo)平臺(tái)自振周期為8.77 s.

圖5 模態(tài)分析結(jié)果Fig.5 mode analysis of jack-up

3.3 碰撞過(guò)程分析

將環(huán)境載荷作用下平臺(tái)初始狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入碰撞模型，進(jìn)行平臺(tái)碰撞分析.

3.3.1 結(jié)構(gòu)損傷變形

圖6 平臺(tái)結(jié)構(gòu)變形Fig.6 Structure deformation of jack-up

自升式平臺(tái)遭遇船舶碰撞后的整體變形和局部變形見圖6.平臺(tái)整體在碰撞過(guò)程中發(fā)生了明顯的搖擺運(yùn)動(dòng)，將部分沖擊能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)能量.由于弦桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，碰撞區(qū)域未出現(xiàn)大變形，碰撞能量因而傳遞到弦桿和撐桿的連接處，導(dǎo)致出現(xiàn)了一定的塑性變形，這也從側(cè)面反映了管節(jié)點(diǎn)連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度重要性.

3.3.2 能量轉(zhuǎn)換

自升式平臺(tái)遭遇船舶碰撞時(shí)，主要通過(guò)以下方面吸收能量:管壁的局部塑性變形(撞凹);構(gòu)件的彈性/塑性彎曲和延伸;平臺(tái)的整體變形(即搖擺);船舶變形或轉(zhuǎn)動(dòng).對(duì)于本文的算例來(lái)說(shuō)，船舶假定為剛體，在碰撞中不發(fā)生變形.整個(gè)碰撞體系的能量轉(zhuǎn)換見圖7，撞擊船的動(dòng)能主要轉(zhuǎn)化為主船體的動(dòng)能，樁腿的動(dòng)能和變形能(整體變形和局部變形).

圖7 碰撞能量轉(zhuǎn)換Fig.7 Collision energy exchange

圖8顯示碰撞過(guò)程中樁腿結(jié)構(gòu)的變形能，由于弦桿的結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，在碰撞中共吸收2 MJ的能量，占撞擊船初始動(dòng)能的18%;撐桿結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱，碰撞能量傳遞到撐桿上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，其變形能量約為弦桿的3倍.

圖8 樁腿能量吸收Fig.8 Energy absorption of legs

3.3.3 碰撞力

局部碰撞力大小是反映撞擊船與自升式平臺(tái)碰撞劇烈程度的重要指標(biāo)，本文樁腿的最大碰撞力約為24.5 MN.圖9顯示撞擊船與平臺(tái)發(fā)生了二次碰撞現(xiàn)象，這是由于平臺(tái)遭遇碰撞后回彈，與仍在繼續(xù)前進(jìn)的撞擊船發(fā)生了二次沖擊造成的，這也是自升式平臺(tái)碰撞的特有現(xiàn)象.

圖9 結(jié)構(gòu)碰撞力Fig.9 Collision force

3.3.4 運(yùn)動(dòng)分析

由于自升式平臺(tái)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將與撞擊船發(fā)生二次碰撞現(xiàn)象.第一次碰撞時(shí)間t為0.86 s，與平臺(tái)自振周期比值約為0.098，因而不考慮碰撞結(jié)束后動(dòng)力效應(yīng)的影響.

圖10和圖11分別表示平臺(tái)遭遇碰撞后的位移和加速度.平臺(tái)主體的最大位移約為0.88 m，與平臺(tái)作業(yè)高度的比值，不會(huì)導(dǎo)致整體的傾覆破壞.平臺(tái)主體的最大加速度約為1.6 m/s2，不會(huì)造成平臺(tái)工作人員的不舒適、設(shè)備及其底部支撐結(jié)構(gòu)的破壞.

圖10 平臺(tái)位移Fig.10 Displacement of jack-up

圖11 平臺(tái)加速度Fig.11 Acceleration of jack-up

3.4 剩余強(qiáng)度分析

有些碰撞事故中，船舶碰撞可能僅造成一個(gè)樁腿的局部損傷，但后續(xù)倒塌和傾覆的可能性仍然存在，尤其是碰撞結(jié)束后由于環(huán)境載荷的作用，受損的樁腿可能無(wú)法繼續(xù)承載導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞.因此，有必要對(duì)碰撞后平臺(tái)的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析.

本文采用準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)受損平臺(tái)的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示.分析中，將碰撞產(chǎn)生的樁腿局部損傷作為計(jì)算的初始條件，以確保計(jì)算結(jié)果的合理性.計(jì)算載荷采用目標(biāo)平臺(tái)工作海域一年一遇的環(huán)境載荷(考慮到受損平臺(tái)維修或拖回，遭遇海況有限)，載荷方向取與碰撞方向相一致.

圖12 一年一遇環(huán)境載荷下應(yīng)力云圖Fig.12 Residual structure stress

由于目標(biāo)平臺(tái)工作海域一年一遇的環(huán)境載荷較小，因此盡管弦桿和撐桿連接處出現(xiàn)了一定的結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致此處應(yīng)力值偏高，但整體應(yīng)力水平仍在可接受的范圍之內(nèi)，具有相當(dāng)?shù)氖Ｓ喑休d能力.

4 撞擊參數(shù)分析

撞擊參數(shù)［11］根據(jù)對(duì)象的不同可以分為撞擊船舶的撞擊參數(shù)和自升式平臺(tái)的撞擊參數(shù).撞擊船是指碰撞發(fā)生時(shí)撞擊船的撞擊速度、撞擊型式、艏部形狀等，自升式平臺(tái)主要指其工作水深、撞擊位置、地基剛度等.實(shí)際碰撞中這些參數(shù)存在多種組合，具有不確定性，綜合考察較為困難.本文主要考察單個(gè)撞擊參數(shù)變化時(shí)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響.

4.1 撞擊船的撞擊參數(shù)

4.1.1 撞擊速度

自升式平臺(tái)工作海域較為復(fù)雜，撞擊船的速度在浪流作用下具有多種可能性.目前業(yè)界研究較為常用的典型撞擊速度有3種:1)作業(yè)碰撞0.5 m/s;2)事故碰撞2 m/s;3)過(guò)路船碰撞6 m/s.本文就這3種典型情況開展研究.

圖13表示撞擊速度對(duì)平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響.隨著撞擊速度的增加，碰撞過(guò)程越來(lái)越劇烈，過(guò)路船碰撞工況下最大碰撞力可達(dá)30 MN，為作業(yè)碰撞的2.5倍;撞擊速度的增加也意味著更大的碰撞能量，導(dǎo)致更多的平臺(tái)結(jié)構(gòu)參與變形，作業(yè)碰撞僅僅造成0.3 MJ的能量吸收，且碰撞過(guò)程很快結(jié)束，過(guò)路船碰撞不僅參與變形的結(jié)構(gòu)大大增加，碰撞時(shí)間也相應(yīng)變長(zhǎng).

圖13 撞擊速度對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響Fig.13 Effect of impact speed on dynamic response

4.1.2 撞擊型式

歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，船舶撞擊自升式平臺(tái)時(shí)并沒有占主導(dǎo)地位的方向.考慮到波浪、潮位、風(fēng)向的影響，碰撞有可能發(fā)生在任意方向.

船舶在撞擊弦桿時(shí)存在艏碰、艉碰、側(cè)碰3種情況;撞擊撐桿時(shí)存在艏碰和艉碰2種情況.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，側(cè)碰會(huì)導(dǎo)致最大的整體變形，但艏碰和艉碰會(huì)造成最大的局部變形，對(duì)于補(bǔ)給船艉碰具有最大的可能性;對(duì)于過(guò)路船，則幾乎都是艏碰.因此，本文通過(guò)計(jì)算考慮這3種撞擊型式的不同.

圖14 撞擊型式對(duì)能量吸收的影響Fig.14 Effect of vessel orientation on energy absorption

圖14顯示，側(cè)碰對(duì)結(jié)構(gòu)造成了最大的損傷，艉碰次之，艏碰最小.這是因?yàn)閭?cè)碰時(shí)帶動(dòng)了較多的附連水參與碰撞，導(dǎo)致了最大的碰撞能量;而艉碰相對(duì)于艏碰而言，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，導(dǎo)致了更大的碰撞區(qū)域和結(jié)構(gòu)損傷;艏碰盡管結(jié)構(gòu)損傷程度略大于艉碰，但碰撞區(qū)域較小，因此總的能量吸收也較小.

4.1.3 艏部型式

對(duì)于自升式鉆井平臺(tái)而言，在其工作海域，穿梭油輪的出現(xiàn)頻率是僅次于補(bǔ)給船的，同樣具有很大的碰撞可能性.穿梭油輪的艏部特征與補(bǔ)給船相比有較大不同，對(duì)平臺(tái)的碰撞損傷也會(huì)有所不同，本文同樣對(duì)此展開研究.

由于平臺(tái)樁腿弦桿尺寸和結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)撞擊船艏而言較小，因此與船艏的接觸面積是基本一致的.補(bǔ)給船的船艏與穿梭油輪相比更為尖銳，造成樁腿結(jié)構(gòu)損傷更為劇烈，在相同的撞深下造成更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞，這一點(diǎn)在圖15中得以反映.

圖15 艏部型式對(duì)能量吸收的影響Fig.15 Effect of bowtype on energy absorption

4.2 平臺(tái)的撞擊參數(shù)

4.2.1 工作水深

由于自升式平臺(tái)具有自行抬升鉆井的特點(diǎn)，其工作水深具有很大的靈活性.一般根據(jù)船東要求，需要在幾個(gè)典型的工作水深具有良好的工作能力.本文的自升式鉆井平臺(tái)要求在250、275和300英尺水深具有技術(shù)規(guī)格書中要求的鉆井能力，因此對(duì)這幾種工作水深可能遭遇的碰撞情況作初步探討.

圖16顯示，平臺(tái)工作水深的增加，意味著撞擊點(diǎn)遠(yuǎn)離樁靴的位置，同樣的撞擊力會(huì)造成更大的樁腿彎矩，從而促使樁腿結(jié)構(gòu)更早地變形破壞，導(dǎo)致更大的結(jié)構(gòu)變形能.

圖16 工作水深對(duì)能量吸收的影響Fig.16 Effect of water depth on energy absorption

4.2.2 撞擊位置

自升式平臺(tái)的碰撞大多發(fā)生在水線面樁腿結(jié)構(gòu)處.本文根據(jù)樁腿結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給出了7種典型的碰撞位置(圖17)，對(duì)其能量吸收進(jìn)行仿真分析，從而考察樁腿可能碰撞區(qū)域的抗撞剛度.

圖17 撞擊位置Fig.17 Impact location

相同的撞深下結(jié)構(gòu)吸能能力越強(qiáng)，預(yù)示著其結(jié)構(gòu)剛度越大，越能抵御碰撞撞擊帶來(lái)的破壞.圖18顯示，結(jié)構(gòu)抗撞剛度順序如下:LC2＞LC1＞LC5＞LC4＞LC3A＞LC3B＞LC3C.其中，弦桿的結(jié)構(gòu)剛度大于撐桿;LC1方向的結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于LC4方向;由于LC2處位于結(jié)構(gòu)交接處，結(jié)構(gòu)剛度也大于LC1;撐桿交接處的剛度也大于水平撐和斜撐中心處.

圖18 撞擊位置對(duì)能量吸收的影響Fig.18 Effect of impact location on energy absorption

4.2.3 地基剛度

自升式平臺(tái)工作狀態(tài)時(shí)站立于海底上，其地基剛度受到土壤約束，位于鉸支和剛固之間，文獻(xiàn)［9］給出了其推薦的最大土壤旋轉(zhuǎn)剛度，并建議船東根據(jù)實(shí)際情況取值時(shí)考慮最大值和鉸支之間的任意值.因此本文考察樁腿底端約束的3種情況對(duì)碰撞結(jié)果的影響:鉸支、彈性支撐(取最大旋轉(zhuǎn)剛度)、固支.

圖19顯示，地基剛度對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞力的影響很小.這可能是因?yàn)椋M管在靜力分析的時(shí)候地基剛度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩分配產(chǎn)生一定的影響，但對(duì)于碰撞這種導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超過(guò)屈服極限產(chǎn)生變形的沖擊動(dòng)力分析而言，其影響十分有限.這也暗示著在處理此類問題時(shí)，簡(jiǎn)單的鉸支約束已經(jīng)能夠達(dá)到需要的工程精度.

圖19 地基剛度對(duì)碰撞力的影響Fig.19 Effect of impact location on collision force

5 結(jié)論

本文以某300英尺自升式平臺(tái)為例，對(duì)其遭遇補(bǔ)給船碰撞進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了一種考慮初始狀態(tài)和剩余強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)主要撞擊參數(shù)對(duì)于碰撞動(dòng)力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)損傷的影響進(jìn)行了分析，得到主要結(jié)論如下:

1)自升式平臺(tái)碰撞是一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，非線性有限元技術(shù)可以較為精確進(jìn)行模擬仿真.本文提出的結(jié)構(gòu)分析方法考慮平臺(tái)初始狀態(tài)和剩余強(qiáng)度，具有一定的適用性.

2)在假定的碰撞工況下，目標(biāo)平臺(tái)發(fā)生了整體變形和局部損傷，但在一年一遇的環(huán)境載荷下未發(fā)生傾覆，可見該平臺(tái)在碰撞載荷下具有相當(dāng)?shù)氖Ｓ喑休d能力.計(jì)算結(jié)果對(duì)于受損平臺(tái)狀態(tài)評(píng)估及維修救援方案的制定具有參考價(jià)值.

3)撞擊參數(shù)對(duì)自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞特性的影響是多方面的:撞擊速度的增加帶來(lái)了更大的沖擊能量和結(jié)構(gòu)損傷;船舶側(cè)碰會(huì)造成最大的結(jié)構(gòu)變形，是最危險(xiǎn)的撞擊型式;不帶球艏的撞擊船與平臺(tái)的碰撞較為劇烈;平臺(tái)工作水深的增加導(dǎo)致了更大的結(jié)構(gòu)破壞;撞擊位置的剛度決定了碰撞的劇烈程度，弦桿相比撐桿抗撞剛度更大;碰撞結(jié)果對(duì)地基剛度的變化不甚敏感.

4)實(shí)際碰撞中撞擊參數(shù)存在多種組合，具有不確定性.因此在今后的研究中將進(jìn)一步結(jié)合可靠性分析手段對(duì)平臺(tái)碰撞的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究.

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