基于LS—DYNA海底懸空管道動(dòng)力響應(yīng)分析

董文乙

摘 要：基于ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析軟件，引入非線性彈簧模擬管土接觸，采用非線性動(dòng)力有限元法，對(duì)墜物撞擊海底管道的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了撞擊速度、落物質(zhì)量對(duì)管道塑性變形及動(dòng)力響應(yīng)幅值的影響。

關(guān)鍵詞：懸空管道 碰撞 凹陷變形 動(dòng)力響應(yīng)

海底管道服役期間，會(huì)受到墜落物體的碰撞，使管道損傷破壞，對(duì)于海底懸空管道還會(huì)引起懸跨段在垂直方向上的振動(dòng)。分析此類碰撞問(wèn)題，不僅要考慮物體與管道接觸，還要考慮管土之間的相互作用，是一個(gè)高度非線性問(wèn)題?，F(xiàn)有的DNV規(guī)范規(guī)定了海底管道受到拖網(wǎng)魚(yú)具或外來(lái)物體沖擊后的變形限制條件，給出了允許的最大永久變形的深度與管道外徑的關(guān)系式，但規(guī)范未考慮海床、墜落物等對(duì)能量的吸收情況，忽略碰撞過(guò)程中各種非線性因素對(duì)于碰撞分析的影響。Wierzbicki等人給出了考慮鋼管初始軸向應(yīng)力影響下，損傷深度與管道吸收能量的計(jì)算公式，同時(shí)給出了不考慮剪切力條件下撞擊力的計(jì)算公式。楊秀娟[4，5]采用三維非線性有限元法模擬了海底管道受到墜物沖擊碰撞的過(guò)程，分析了墜物形狀、碰撞角度、摩擦效應(yīng)、混凝土厚度以及管道內(nèi)壓對(duì)撞擊的影響。

對(duì)于海底管道碰撞損傷變形的數(shù)值模擬常采用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。本文借助非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA來(lái)模擬海底懸空管道受錨擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，分析海底管道懸跨段受墜物撞擊部位的塑性變形及懸跨管段的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)討論撞擊速度、落物質(zhì)量對(duì)管道塑性變形及動(dòng)力響應(yīng)幅值的影響。

海底懸空管道物理模型

1、模型參數(shù)

管道模型的參數(shù)設(shè)計(jì)參考海底管道工程設(shè)計(jì)參數(shù)，海底管道直徑0.508m，壁厚0.0127 m。由于海流沖刷，海底管道出現(xiàn)懸空段，考慮管道與土的相互作用懸空段兩端管土耦合邊界取60倍的管徑，管道材料為X 65，材料屬性如表1。由于墜落物體形狀不一，將墜落物簡(jiǎn)化為具有一定質(zhì)量和初始速度的實(shí)心球體，半徑取0.312m，將附加水質(zhì)量以密度的形式加到墜落物體上。

表1 管道與錨的材料屬性

2、有限元模型

采用具有大變形分析功能的殼單元建立管道模型。懸空段兩端管土的相互作用采用彈塑性非線性彈簧來(lái)模擬；對(duì)于管土接觸部分，在管道節(jié)點(diǎn)上連接定向非線性土彈簧；對(duì)管土耦合段管道兩端采用等效邊界，即以非線性彈簧的形式加在管道模型的兩端，代替離懸空段較遠(yuǎn)處直線段管道的變形影響；懸空管道單元采用殼單元SHELL163單元，墜落物采用SOLID164單元，建立剛體模型，非線性彈簧單元采用COMBI165單元。

海底懸空管道落物撞擊過(guò)程數(shù)值模擬

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖?duì)海底懸空管道錨擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在ANSYS/LS-DYNA 前處理中建立管道-落物的接觸碰撞有限元模型、加載并建立海底管道懸空段與錨撞擊的主從接觸面，生成K 文件后提交給LS-DYNA 求解器進(jìn)行求解計(jì)算。

1、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

選取文獻(xiàn)中關(guān)于管道吸收能量與管道凹陷值的公式計(jì)算管道的最大變形值，并同本文的仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖1，由圖可知，模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果相比，曲線變化的趨勢(shì)是一致的，計(jì)算值偏小。

2、管道凹陷變形時(shí)程分析

落物重為1000Kg，錨擊速度為8m/s時(shí)，海底懸空管道受墜落物撞擊，不同時(shí)刻的凹陷變形歷程橫截面圖，圖2。

管道遭受撞擊首先發(fā)生彈性變形，受撞擊部位，凹陷形成的同時(shí)管道的橫截面形狀由圓形變?yōu)闄E圓形。隨著撞擊的繼續(xù)，變形進(jìn)入塑性變形區(qū)間。時(shí)間為0.0255s時(shí)，管道的凹陷變形達(dá)到峰值（0.035m）；接著墜落物開(kāi)始回彈，管道上處于彈性區(qū)間的變形逐漸恢復(fù)，管道也由橢圓逐漸向圓形發(fā)展；當(dāng)時(shí)間為0.063s時(shí)，由于懸空管道受撞擊后會(huì)發(fā)生振動(dòng)，管道與墜落物發(fā)生第二次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.024m）；當(dāng)時(shí)間為0.0885s時(shí)，管道與墜落物發(fā)生第三次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.025m）；當(dāng)時(shí)間為0.1155s時(shí)，管道與墜落物發(fā)生第四次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.028m）；之后墜落物繼續(xù)回彈，管道與墜落物不再發(fā)生碰撞，管道的凹陷變形也趨于穩(wěn)定，最終在管道上方留下塑性變形凹痕。

結(jié)果分析，以墜落物碰撞中心位置，管道截面（即xoy平面）最上端的節(jié)點(diǎn)A與最下端的節(jié)點(diǎn)B的垂向位移的差值作為管道的凹陷變形值，見(jiàn)圖3、4、5。

3、管道的沖擊力時(shí)程曲線

墜物撞擊海底管道是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，管道的撞擊力時(shí)間歷程曲線如圖6。由圖可知，撞擊力出現(xiàn)四次峰值，即管道與落物發(fā)生四次碰撞，這與管道凹陷時(shí)程曲線出現(xiàn)四次峰值相符。

海底懸空管道損傷的影響因素分析

引起海底管道墜物損傷的影響因素有很多，主要有撞擊能量、墜物形狀、管道混凝土保護(hù)層厚度、管道埋深等。本文主要分析撞擊能量對(duì)海底管道墜物損傷影響，根據(jù)DNV規(guī)范中對(duì)撞擊能量的描述，引起撞擊能量變化的因素主要有墜落物質(zhì)量及速度。在分析的過(guò)程中，采用管道受撞擊后產(chǎn)生的損傷深度、懸空段產(chǎn)生的垂向位移值以及碰撞產(chǎn)生的碰撞力的大小來(lái)評(píng)價(jià)這些因素的損傷的影響程度。

1、墜落物撞擊速度影響分析

計(jì)算相同墜落物質(zhì)量，不同撞擊速度對(duì)海底管道損傷的影響。計(jì)算時(shí)取海底管道懸空段長(zhǎng)度為10m，計(jì)算模型的其他參數(shù)同前所述。不同撞擊速度下管道的凹陷值、管道的振動(dòng)幅值以及碰撞產(chǎn)生的撞擊力分別如圖7、8、9所示，由圖可以得出：墜落物質(zhì)量不變，隨著速度的不斷增大，管道的凹陷值不斷增加，管道的振動(dòng)幅值不斷增加，管道應(yīng)力增加，碰撞產(chǎn)生的撞擊力不斷增加。

2、墜落物質(zhì)量影響分析

計(jì)算相同撞擊速度下，不同墜落物質(zhì)量對(duì)海底管道損傷的影響， 不同墜落物質(zhì)量下管道的凹陷值、管道的振動(dòng)幅值以及碰撞產(chǎn)生的撞擊力分別如圖10、11、12所示，由圖可以得出：墜落物速度不變，隨著墜落物質(zhì)量的不斷增大，管道受撞擊部位的凹陷變形變大，管道的振動(dòng)幅值不斷增加，管道應(yīng)力變大，碰撞產(chǎn)生的撞擊力不斷增加。

參考文獻(xiàn)：

[1] DNV.Rules for Submarine pipeline Systems.DNV 1996. [S].

[2] DNV.Risk Assessment of Pipelines Protection.DNV-RP-F107.[S]

[3] Wierzbicki T，Suh M S. Indentation of tubes under combined loading[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 1988，30（3）： 229-248.

[4] 楊秀娟，閆濤，修宗祥，等.海底管道受墜物撞擊時(shí)的彈塑性有限元分析[J]..工程力學(xué)，2011，28（6）： 189-194.

[5] 楊秀娟，修宗祥，閆相禎，等.海底管道受墜物撞擊的三維仿真研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28（11）：47-50.

（作者單位：海洋石油工程（青島）有限公司）endprint

摘 要：基于ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析軟件，引入非線性彈簧模擬管土接觸，采用非線性動(dòng)力有限元法，對(duì)墜物撞擊海底管道的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了撞擊速度、落物質(zhì)量對(duì)管道塑性變形及動(dòng)力響應(yīng)幅值的影響。

關(guān)鍵詞：懸空管道 碰撞 凹陷變形 動(dòng)力響應(yīng)

海底管道服役期間，會(huì)受到墜落物體的碰撞，使管道損傷破壞，對(duì)于海底懸空管道還會(huì)引起懸跨段在垂直方向上的振動(dòng)。分析此類碰撞問(wèn)題，不僅要考慮物體與管道接觸，還要考慮管土之間的相互作用，是一個(gè)高度非線性問(wèn)題。現(xiàn)有的DNV規(guī)范規(guī)定了海底管道受到拖網(wǎng)魚(yú)具或外來(lái)物體沖擊后的變形限制條件，給出了允許的最大永久變形的深度與管道外徑的關(guān)系式，但規(guī)范未考慮海床、墜落物等對(duì)能量的吸收情況，忽略碰撞過(guò)程中各種非線性因素對(duì)于碰撞分析的影響。Wierzbicki等人給出了考慮鋼管初始軸向應(yīng)力影響下，損傷深度與管道吸收能量的計(jì)算公式，同時(shí)給出了不考慮剪切力條件下撞擊力的計(jì)算公式。楊秀娟[4，5]采用三維非線性有限元法模擬了海底管道受到墜物沖擊碰撞的過(guò)程，分析了墜物形狀、碰撞角度、摩擦效應(yīng)、混凝土厚度以及管道內(nèi)壓對(duì)撞擊的影響。

對(duì)于海底管道碰撞損傷變形的數(shù)值模擬常采用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。本文借助非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA來(lái)模擬海底懸空管道受錨擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，分析海底管道懸跨段受墜物撞擊部位的塑性變形及懸跨管段的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)討論撞擊速度、落物質(zhì)量對(duì)管道塑性變形及動(dòng)力響應(yīng)幅值的影響。

海底懸空管道物理模型

1、模型參數(shù)

管道模型的參數(shù)設(shè)計(jì)參考海底管道工程設(shè)計(jì)參數(shù)，海底管道直徑0.508m，壁厚0.0127 m。由于海流沖刷，海底管道出現(xiàn)懸空段，考慮管道與土的相互作用懸空段兩端管土耦合邊界取60倍的管徑，管道材料為X 65，材料屬性如表1。由于墜落物體形狀不一，將墜落物簡(jiǎn)化為具有一定質(zhì)量和初始速度的實(shí)心球體，半徑取0.312m，將附加水質(zhì)量以密度的形式加到墜落物體上。

表1 管道與錨的材料屬性

2、有限元模型

采用具有大變形分析功能的殼單元建立管道模型。懸空段兩端管土的相互作用采用彈塑性非線性彈簧來(lái)模擬；對(duì)于管土接觸部分，在管道節(jié)點(diǎn)上連接定向非線性土彈簧；對(duì)管土耦合段管道兩端采用等效邊界，即以非線性彈簧的形式加在管道模型的兩端，代替離懸空段較遠(yuǎn)處直線段管道的變形影響；懸空管道單元采用殼單元SHELL163單元，墜落物采用SOLID164單元，建立剛體模型，非線性彈簧單元采用COMBI165單元。

海底懸空管道落物撞擊過(guò)程數(shù)值模擬

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖?duì)海底懸空管道錨擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在ANSYS/LS-DYNA 前處理中建立管道-落物的接觸碰撞有限元模型、加載并建立海底管道懸空段與錨撞擊的主從接觸面，生成K 文件后提交給LS-DYNA 求解器進(jìn)行求解計(jì)算。

1、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

選取文獻(xiàn)中關(guān)于管道吸收能量與管道凹陷值的公式計(jì)算管道的最大變形值，并同本文的仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖1，由圖可知，模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果相比，曲線變化的趨勢(shì)是一致的，計(jì)算值偏小。

2、管道凹陷變形時(shí)程分析

落物重為1000Kg，錨擊速度為8m/s時(shí)，海底懸空管道受墜落物撞擊，不同時(shí)刻的凹陷變形歷程橫截面圖，圖2。

管道遭受撞擊首先發(fā)生彈性變形，受撞擊部位，凹陷形成的同時(shí)管道的橫截面形狀由圓形變?yōu)闄E圓形。隨著撞擊的繼續(xù)，變形進(jìn)入塑性變形區(qū)間。時(shí)間為0.0255s時(shí)，管道的凹陷變形達(dá)到峰值（0.035m）；接著墜落物開(kāi)始回彈，管道上處于彈性區(qū)間的變形逐漸恢復(fù)，管道也由橢圓逐漸向圓形發(fā)展；當(dāng)時(shí)間為0.063s時(shí)，由于懸空管道受撞擊后會(huì)發(fā)生振動(dòng)，管道與墜落物發(fā)生第二次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.024m）；當(dāng)時(shí)間為0.0885s時(shí)，管道與墜落物發(fā)生第三次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.025m）；當(dāng)時(shí)間為0.1155s時(shí)，管道與墜落物發(fā)生第四次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.028m）；之后墜落物繼續(xù)回彈，管道與墜落物不再發(fā)生碰撞，管道的凹陷變形也趨于穩(wěn)定，最終在管道上方留下塑性變形凹痕。

結(jié)果分析，以墜落物碰撞中心位置，管道截面（即xoy平面）最上端的節(jié)點(diǎn)A與最下端的節(jié)點(diǎn)B的垂向位移的差值作為管道的凹陷變形值，見(jiàn)圖3、4、5。

3、管道的沖擊力時(shí)程曲線

墜物撞擊海底管道是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，管道的撞擊力時(shí)間歷程曲線如圖6。由圖可知，撞擊力出現(xiàn)四次峰值，即管道與落物發(fā)生四次碰撞，這與管道凹陷時(shí)程曲線出現(xiàn)四次峰值相符。

海底懸空管道損傷的影響因素分析

引起海底管道墜物損傷的影響因素有很多，主要有撞擊能量、墜物形狀、管道混凝土保護(hù)層厚度、管道埋深等。本文主要分析撞擊能量對(duì)海底管道墜物損傷影響，根據(jù)DNV規(guī)范中對(duì)撞擊能量的描述，引起撞擊能量變化的因素主要有墜落物質(zhì)量及速度。在分析的過(guò)程中，采用管道受撞擊后產(chǎn)生的損傷深度、懸空段產(chǎn)生的垂向位移值以及碰撞產(chǎn)生的碰撞力的大小來(lái)評(píng)價(jià)這些因素的損傷的影響程度。

1、墜落物撞擊速度影響分析

計(jì)算相同墜落物質(zhì)量，不同撞擊速度對(duì)海底管道損傷的影響。計(jì)算時(shí)取海底管道懸空段長(zhǎng)度為10m，計(jì)算模型的其他參數(shù)同前所述。不同撞擊速度下管道的凹陷值、管道的振動(dòng)幅值以及碰撞產(chǎn)生的撞擊力分別如圖7、8、9所示，由圖可以得出：墜落物質(zhì)量不變，隨著速度的不斷增大，管道的凹陷值不斷增加，管道的振動(dòng)幅值不斷增加，管道應(yīng)力增加，碰撞產(chǎn)生的撞擊力不斷增加。

2、墜落物質(zhì)量影響分析

計(jì)算相同撞擊速度下，不同墜落物質(zhì)量對(duì)海底管道損傷的影響， 不同墜落物質(zhì)量下管道的凹陷值、管道的振動(dòng)幅值以及碰撞產(chǎn)生的撞擊力分別如圖10、11、12所示，由圖可以得出：墜落物速度不變，隨著墜落物質(zhì)量的不斷增大，管道受撞擊部位的凹陷變形變大，管道的振動(dòng)幅值不斷增加，管道應(yīng)力變大，碰撞產(chǎn)生的撞擊力不斷增加。

參考文獻(xiàn)：

[1] DNV.Rules for Submarine pipeline Systems.DNV 1996. [S].

[2] DNV.Risk Assessment of Pipelines Protection.DNV-RP-F107.[S]

[3] Wierzbicki T，Suh M S. Indentation of tubes under combined loading[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 1988，30（3）： 229-248.

[4] 楊秀娟，閆濤，修宗祥，等.海底管道受墜物撞擊時(shí)的彈塑性有限元分析[J]..工程力學(xué)，2011，28（6）： 189-194.

[5] 楊秀娟，修宗祥，閆相禎，等.海底管道受墜物撞擊的三維仿真研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28（11）：47-50.

（作者單位：海洋石油工程（青島）有限公司）endprint

摘 要：基于ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析軟件，引入非線性彈簧模擬管土接觸，采用非線性動(dòng)力有限元法，對(duì)墜物撞擊海底管道的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了撞擊速度、落物質(zhì)量對(duì)管道塑性變形及動(dòng)力響應(yīng)幅值的影響。

關(guān)鍵詞：懸空管道 碰撞 凹陷變形 動(dòng)力響應(yīng)

海底管道服役期間，會(huì)受到墜落物體的碰撞，使管道損傷破壞，對(duì)于海底懸空管道還會(huì)引起懸跨段在垂直方向上的振動(dòng)。分析此類碰撞問(wèn)題，不僅要考慮物體與管道接觸，還要考慮管土之間的相互作用，是一個(gè)高度非線性問(wèn)題?，F(xiàn)有的DNV規(guī)范規(guī)定了海底管道受到拖網(wǎng)魚(yú)具或外來(lái)物體沖擊后的變形限制條件，給出了允許的最大永久變形的深度與管道外徑的關(guān)系式，但規(guī)范未考慮海床、墜落物等對(duì)能量的吸收情況，忽略碰撞過(guò)程中各種非線性因素對(duì)于碰撞分析的影響。Wierzbicki等人給出了考慮鋼管初始軸向應(yīng)力影響下，損傷深度與管道吸收能量的計(jì)算公式，同時(shí)給出了不考慮剪切力條件下撞擊力的計(jì)算公式。楊秀娟[4，5]采用三維非線性有限元法模擬了海底管道受到墜物沖擊碰撞的過(guò)程，分析了墜物形狀、碰撞角度、摩擦效應(yīng)、混凝土厚度以及管道內(nèi)壓對(duì)撞擊的影響。

對(duì)于海底管道碰撞損傷變形的數(shù)值模擬常采用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。本文借助非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA來(lái)模擬海底懸空管道受錨擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，分析海底管道懸跨段受墜物撞擊部位的塑性變形及懸跨管段的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)討論撞擊速度、落物質(zhì)量對(duì)管道塑性變形及動(dòng)力響應(yīng)幅值的影響。

海底懸空管道物理模型

1、模型參數(shù)

管道模型的參數(shù)設(shè)計(jì)參考海底管道工程設(shè)計(jì)參數(shù)，海底管道直徑0.508m，壁厚0.0127 m。由于海流沖刷，海底管道出現(xiàn)懸空段，考慮管道與土的相互作用懸空段兩端管土耦合邊界取60倍的管徑，管道材料為X 65，材料屬性如表1。由于墜落物體形狀不一，將墜落物簡(jiǎn)化為具有一定質(zhì)量和初始速度的實(shí)心球體，半徑取0.312m，將附加水質(zhì)量以密度的形式加到墜落物體上。

表1 管道與錨的材料屬性

2、有限元模型

采用具有大變形分析功能的殼單元建立管道模型。懸空段兩端管土的相互作用采用彈塑性非線性彈簧來(lái)模擬；對(duì)于管土接觸部分，在管道節(jié)點(diǎn)上連接定向非線性土彈簧；對(duì)管土耦合段管道兩端采用等效邊界，即以非線性彈簧的形式加在管道模型的兩端，代替離懸空段較遠(yuǎn)處直線段管道的變形影響；懸空管道單元采用殼單元SHELL163單元，墜落物采用SOLID164單元，建立剛體模型，非線性彈簧單元采用COMBI165單元。

海底懸空管道落物撞擊過(guò)程數(shù)值模擬

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖?duì)海底懸空管道錨擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在ANSYS/LS-DYNA 前處理中建立管道-落物的接觸碰撞有限元模型、加載并建立海底管道懸空段與錨撞擊的主從接觸面，生成K 文件后提交給LS-DYNA 求解器進(jìn)行求解計(jì)算。

1、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

選取文獻(xiàn)中關(guān)于管道吸收能量與管道凹陷值的公式計(jì)算管道的最大變形值，并同本文的仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖1，由圖可知，模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果相比，曲線變化的趨勢(shì)是一致的，計(jì)算值偏小。

2、管道凹陷變形時(shí)程分析

落物重為1000Kg，錨擊速度為8m/s時(shí)，海底懸空管道受墜落物撞擊，不同時(shí)刻的凹陷變形歷程橫截面圖，圖2。

管道遭受撞擊首先發(fā)生彈性變形，受撞擊部位，凹陷形成的同時(shí)管道的橫截面形狀由圓形變?yōu)闄E圓形。隨著撞擊的繼續(xù)，變形進(jìn)入塑性變形區(qū)間。時(shí)間為0.0255s時(shí)，管道的凹陷變形達(dá)到峰值（0.035m）；接著墜落物開(kāi)始回彈，管道上處于彈性區(qū)間的變形逐漸恢復(fù)，管道也由橢圓逐漸向圓形發(fā)展；當(dāng)時(shí)間為0.063s時(shí)，由于懸空管道受撞擊后會(huì)發(fā)生振動(dòng)，管道與墜落物發(fā)生第二次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.024m）；當(dāng)時(shí)間為0.0885s時(shí)，管道與墜落物發(fā)生第三次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.025m）；當(dāng)時(shí)間為0.1155s時(shí)，管道與墜落物發(fā)生第四次碰撞，凹陷變形達(dá)到峰值（0.028m）；之后墜落物繼續(xù)回彈，管道與墜落物不再發(fā)生碰撞，管道的凹陷變形也趨于穩(wěn)定，最終在管道上方留下塑性變形凹痕。

結(jié)果分析，以墜落物碰撞中心位置，管道截面（即xoy平面）最上端的節(jié)點(diǎn)A與最下端的節(jié)點(diǎn)B的垂向位移的差值作為管道的凹陷變形值，見(jiàn)圖3、4、5。

3、管道的沖擊力時(shí)程曲線

墜物撞擊海底管道是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，管道的撞擊力時(shí)間歷程曲線如圖6。由圖可知，撞擊力出現(xiàn)四次峰值，即管道與落物發(fā)生四次碰撞，這與管道凹陷時(shí)程曲線出現(xiàn)四次峰值相符。

海底懸空管道損傷的影響因素分析

引起海底管道墜物損傷的影響因素有很多，主要有撞擊能量、墜物形狀、管道混凝土保護(hù)層厚度、管道埋深等。本文主要分析撞擊能量對(duì)海底管道墜物損傷影響，根據(jù)DNV規(guī)范中對(duì)撞擊能量的描述，引起撞擊能量變化的因素主要有墜落物質(zhì)量及速度。在分析的過(guò)程中，采用管道受撞擊后產(chǎn)生的損傷深度、懸空段產(chǎn)生的垂向位移值以及碰撞產(chǎn)生的碰撞力的大小來(lái)評(píng)價(jià)這些因素的損傷的影響程度。

1、墜落物撞擊速度影響分析

計(jì)算相同墜落物質(zhì)量，不同撞擊速度對(duì)海底管道損傷的影響。計(jì)算時(shí)取海底管道懸空段長(zhǎng)度為10m，計(jì)算模型的其他參數(shù)同前所述。不同撞擊速度下管道的凹陷值、管道的振動(dòng)幅值以及碰撞產(chǎn)生的撞擊力分別如圖7、8、9所示，由圖可以得出：墜落物質(zhì)量不變，隨著速度的不斷增大，管道的凹陷值不斷增加，管道的振動(dòng)幅值不斷增加，管道應(yīng)力增加，碰撞產(chǎn)生的撞擊力不斷增加。

2、墜落物質(zhì)量影響分析

計(jì)算相同撞擊速度下，不同墜落物質(zhì)量對(duì)海底管道損傷的影響， 不同墜落物質(zhì)量下管道的凹陷值、管道的振動(dòng)幅值以及碰撞產(chǎn)生的撞擊力分別如圖10、11、12所示，由圖可以得出：墜落物速度不變，隨著墜落物質(zhì)量的不斷增大，管道受撞擊部位的凹陷變形變大，管道的振動(dòng)幅值不斷增加，管道應(yīng)力變大，碰撞產(chǎn)生的撞擊力不斷增加。

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（作者單位：海洋石油工程（青島）有限公司）endprint