大型浮式結構物結構碰撞性能分析

張延昌劉 昆王 璞景寶金

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮(zhèn)江 212003）

大型浮式結構物結構碰撞性能分析

張延昌1劉 昆2王 璞1景寶金1

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮(zhèn)江 212003）

碰撞事故是基于事故極限狀態(tài)設計重點考慮的對象，在設計中越來越受到重視。文章以某大型浮式結構物為研究對象，總結分析ISO、API、HSE、DNV、ABS、BV、LR等標準及規(guī)范對碰撞場景的相關規(guī)定，提出碰撞分析場景及設計衡準；基于簡化分析技術建立碰撞力學模型，利用動態(tài)非線性結構分析軟件ABAQUS進行仿真分析，通過分析塑性應變、塑性變形、吸能、碰撞力及運動等，校核評估舷側(cè)結構的耐撞性能；分析不同碰撞位置、撞擊船型式等對碰撞性能的影響。研究表明：目標大型浮式結構物舷側(cè)結構碰撞事故極限強度滿足規(guī)范要求，首柱撞擊相對比較危險，可作為計算分析控制工況。

大型浮式結構物；事故極限狀態(tài)；碰撞性能；非線性有限元分析

引 言

開發(fā)海洋、利用海洋已成為世界關注的熱點。我國越來越重視海洋資源的利用與開發(fā)，并將維護國家海洋權益提到國家戰(zhàn)略高度。深海油氣資源開發(fā)、海疆保衛(wèi)、海洋維權等急切需要大型多功能浮式結構物。2013年發(fā)改委資助《遠海大型浮式結構物研發(fā)》前瞻性項目研究，中國船舶及海洋工程設計研究院牽頭研發(fā)出一型適應于深水、具備綜合功能的保障平臺，服務于南海島礁建設、油氣資源開發(fā)，為我國海洋油氣資源開發(fā)提供保障。

統(tǒng)計資料表明：海洋工程碰撞事故時有發(fā)生，可能會引起原油泄漏、人員傷亡、環(huán)境污染等災難性后果。碰撞事故載荷下的結構設計已受到各機構、船級社和設計院所的重視。國內(nèi)學者對船舶碰撞外部機理、內(nèi)部機理、耐撞結構設計等方面開展了試驗、數(shù)值仿真分析［1-4］。隨著結構設計技術的發(fā)展，碰撞事故已作為事故極限狀態(tài)納入結構設計分析范疇，旨在提高海洋結構物的安全、減少海洋環(huán)境污染。美國石油協(xié)會（API），英國健康、安全、環(huán)境委員會（HSE）及挪威船級社（DNV）、美國船級社（ABS）、法國船級社（BV）等均對碰撞事故設計載荷及結構防護設計技術給出了指導性意見［5-8］。

本文以某大型浮式結構物為研究對象，研究分析碰撞分析場景及設計衡準，采用簡化分析技術，建立碰撞分析力學模型，利用ABAQUS軟件進行數(shù)值仿真分析，評估舷側(cè)結構的耐撞性能，以保障碰撞事故載荷下大型浮式結構物的安全。

1 基于碰撞極限狀態(tài)的設計技術

碰撞事故是因極端環(huán)境、設備故障、人為失誤等因素導致附近供應船、穿梭油輪及過往商船偏離航行或無法保持系泊狀態(tài)，從而導致與目標浮式結構物發(fā)生碰撞的意外事件。碰撞事故將會導致撞擊船與被撞擊結構物的結構大變形、破裂損傷、原油泄漏、艙室進水等嚴重后果，甚至會引起船體梁剩余極限強度、破艙穩(wěn)性達到極限狀態(tài)從而造成災難性后果。完整船舶碰撞評估是基于風險的碰撞分析過程［7，11］，通過船舶碰撞初步風險評估、詳細風險評估進行的。首先進行碰撞初步風險分析，其中包括定義接受衡準、對各碰撞事件進行識別、分析碰撞發(fā)生概率及碰撞后果，完成碰撞風險初步評估；然后，在此基礎上進行詳細風險評估，其中包括危險篩選，針對高風險的關鍵事件進行結構碰撞強度評估，詳細評估碰撞事故后果，判斷是否滿足風險接受衡準。本文側(cè)重討論詳細碰撞風險分析中的主要環(huán)節(jié)——碰撞載荷下的后果分析，即碰撞載荷下結構強度評估，本節(jié)將介紹船舶碰撞強度評估中的碰撞場景及接受衡準。

1.1 碰撞場景

碰撞場景是由風險分析確定的，用于結構碰撞性能評估的關鍵碰撞事件，主要包括撞擊船舶類型（供應船、商船、穿梭油輪、漁船等）、撞擊船主要參數(shù)（排水量、船型、吃水）、碰撞參數(shù)（撞擊速度、角度、撞擊位置等）。文獻［11］總結了ISO、API、HSE及DNV、ABS、BV船級社規(guī)定的碰撞場景，具體匯總?cè)缦马摫?所示。

各項法規(guī)、規(guī)范對船舶碰撞場景的定義適用海域和對象存在不同。具體如下：對于浮式結構物碰撞場景的定義基本相同，碰撞船舶噸位為5 000 t，撞擊速度為2 m/s，舷側(cè)碰撞撞擊能量為14 MJ，船首碰撞為11 MJ（其中撞擊船橫向附連水質(zhì)量系數(shù)為0.4，縱向附連水質(zhì)量系數(shù)為0.1），該碰撞場景作為本文碰撞性能分析計算場景。

1.2 設計衡準

碰撞事故中撞擊船的能量由其自身和被撞船結構塑性變形所吸收。碰撞事故接受衡準由結構損傷程度來表示，通常由業(yè)主考慮合理的生命安全、環(huán)境、設施風險接受水平?jīng)Q定可能影響結構的損傷極限，作為設計衡準。對于舷側(cè)耐撞結構設計衡準，通常會涉及以下幾方面：

（1）內(nèi)縱壁板不會發(fā)生破裂失效，避免艙內(nèi)燃油外溢；

（2）碰撞不會引起主船體結構進一步失效擴展；

（3）破損后艙室進水后，破艙穩(wěn)性滿足要求；

（4）破損后剩余極限強度能抵抗一年一遇的環(huán)境載荷。

本文分析對象為大型浮式結構物，采用雙底、雙殼單船體結構型式，中間雙殼內(nèi)為燃油艙，主要側(cè)重于分析碰撞載荷下結構性能分析，評估碰撞事故載荷引起船體結構的局部破損，避免艙內(nèi)燃油外漏。因此，以內(nèi)縱壁板不會發(fā)生破裂為校核衡準。

表1 法規(guī)、規(guī)范對碰撞場景的規(guī)定

2 浮式結構物舷側(cè)結構碰撞性能分析

2.1 碰撞場景及計算工況

碰撞場景為排水量為5 000 t的撞擊船，以2 m/s速度垂直撞擊目標結構物舷側(cè)。采用簡化分析技術I，撞擊船視為剛體，分首部撞擊、舷側(cè)撞擊兩種工況?？紤]到撞擊船首柱類型（球鼻型、首柱）、撞擊位置等計算工況如表2所示。

表2 計算工況

考慮到目標浮式結構物的吃水與撞擊船相對位置、舷側(cè)結構型式及不同位置耐撞強度等方面，甲板2與甲板3中間區(qū)域是可能發(fā)生碰撞且最易發(fā)生失效的區(qū)域，作為撞擊高度位置。

2.2 簡化分析技術

船舶碰撞分析是一個非常復雜的非線性瞬態(tài)響應問題，通常作不同程度的簡化處理，采取非線性瞬態(tài)響應分析軟件對結構碰撞性能進行數(shù)值仿真分析。主要工程數(shù)值仿真分析方法有：簡化分析方法I、簡化分析方法II、同步損傷分析技術、全耦合分析技術。其中，簡化分析方法I將撞擊船簡化為剛體和撞擊變形體，能量全部由變形體的被撞船吸收，該方法是最保守的分析方法，可用于分析被撞船最嚴重的損傷情況。

本文采用簡化分析技術I建立碰撞力學模型，利用非線性動態(tài)分析軟件ABAQUS，選取遠海大型浮式結構物燃油艙段FR25～FR34范圍內(nèi)的舷側(cè)結構為分析對象，建立結構有限元模型，舷側(cè)結構板、桁材腹板、縱骨腹板等采用四邊形單元模擬，型材面板、小加強筋采用等效板厚法賦予相應的板上，碰撞區(qū)域結構網(wǎng)格尺度為200 mm左右，有限元網(wǎng)格數(shù)量約為670 000。采用“組合材料關系曲線”考慮材料硬化影響；考慮到網(wǎng)格尺度的影響，材料塑性失效應變?nèi)?.3［9］。采用Cowper-Symonds材料模型表達應變率敏感性的影響，其表達式為：

式中：σd為塑性應變率下的動態(tài)應力；σ0為相應的靜態(tài)應力；D和q為常數(shù)，對于船用低碳鋼，一般取D = 40.4/s，q = 5。

結構有限元模型的首、尾及底部均采用簡支固定約束。撞擊船與被撞船舷側(cè)結構之間以及撞擊船舷側(cè)結構之間定義主從接觸，其靜摩擦系數(shù)為0.3。

2.3 計算結果分析

2.3.1 塑性變形

典型工況下結構塑性應變及變形云圖如下頁圖2所示。分析各工況下的變形圖可以看出：

（1）在剛性撞擊船碰撞下，舷側(cè)外板、縱骨、強框架局部區(qū)域發(fā)生明顯的塑性變形。發(fā)生變形的范圍、形狀受撞擊船船首、首柱、舷側(cè)的形狀影響顯著；除接觸區(qū)域外其余區(qū)域結構無塑性變形或變形很小，塑性變形表現(xiàn)出很強的局部性。

（2）對于船用低碳鋼塑性失效應變約為0.3，當最大塑性應變超過0.3結構將發(fā)生塑性失效。由于工況2-1和2-2撞擊船首柱形狀較尖，碰撞過程中舷側(cè)外板發(fā)生破裂失效，其余工況各結構均未發(fā)生塑性失效。

2.3.2 能量吸收

下頁表3為各工況下結構吸能匯總，圖3為工況1-1結構吸能歷程曲線。

可見：

（1）船舶碰撞過程中，被撞船舶舷側(cè)結構發(fā)生塑性變形吸收了撞擊船的動能，動能絕大部分轉(zhuǎn)化為結構塑性變形能。

（2）被撞船舷側(cè)外板吸能占總吸能的50%左右，是最主要的吸能構件，增加舷側(cè)外板厚度是提高耐撞性能最高效的方式；強框、縱骨也是主要的吸能構件。

圖2 碰撞結束時各主要構件塑性變形

表3 各工況下結構吸能匯總

（3）構件吸能的數(shù)量與塑性變形是一致的，舷側(cè)外板、縱骨、強框吸能較多，其塑性變形也較大；甲板2、甲板3及內(nèi)壁板、主甲板等其他構件的吸能很低，變形也較小。

（4）吸能曲線中由于結構彈性變形發(fā)生反彈，總吸能在碰撞后半段呈下降趨勢。

2.3.3 碰撞力及撞擊船運動

圖4為工況1-1碰撞力歷程曲線，隨著撞深的增加碰撞力增加，碰撞力曲線呈現(xiàn)出強非線性。當撞擊船速度降為0或結構構件失效時，碰撞力達到最大。圖5和圖6為撞擊船速度、位移曲線，該曲線反映了碰撞過程中撞擊船的速度及位移，碰撞后期撞擊船的速度變?yōu)?，甚至發(fā)生反彈。

圖3 吸能-時間曲線（工況1-1）

圖4 碰撞力-時間歷程曲線（工況1-1）

2.4 各工況計算結果匯總

各計算工況的計算結果匯總見表4。

表4 碰撞結束時刻結果匯總

圖5 撞擊船速度-時間曲線（工況1-1）

圖6 撞擊船位移-時間曲線（工況1-1）

表4反映了撞擊船型式、撞擊位置等對碰撞性能的影響。通過分析可以看出：

（1）撞擊船首部形狀對舷側(cè)外板的塑性應變、塑性變形、最大碰撞力等性能參數(shù)影響顯著，撞擊形狀越尖對舷側(cè)外板的塑性變形、損傷越嚴重。正如本文中首柱撞擊下舷側(cè)外板最大塑性應變超過0.3，舷側(cè)外板破裂；球鼻首撞擊下舷側(cè)外板未發(fā)生破裂。

（2）各工況下內(nèi)壁板結構的塑性變形為0，內(nèi)縱壁板的最大塑性變形僅有1～2 mm，說明各種工況下燃油艙艙壁完整，不會破裂。

（3）工況2-2比其他幾個工況更危險，更易引起舷側(cè)外板破裂，建議將撞擊工況從船首柱改變?yōu)樵谙蟼?cè)結構強框之間，以此作為設計校核控制工況。

3 結 論

本文總結整理了國內(nèi)外規(guī)范對碰撞載荷及結構設計的相關規(guī)定，提出了用于遠海大型浮式結構物碰撞性能分析的碰撞工況、校核衡準、簡化分析技術。利用非線性有限元軟件ABAQUS對舷側(cè)結構的耐撞性能進行了數(shù)值仿真分析評估，主要結論如下：

（1）采用偏于保守的簡化分析技術研究表明各種碰撞工況下舷側(cè)結構舷側(cè)外板均未發(fā)生破裂，內(nèi)壁板變形較小，局部結構碰撞性能滿足要求。

（2）船舶碰撞過程中結構的塑性變形吸收了撞擊能量，碰撞接觸區(qū)域的局部結構產(chǎn)生顯著的塑性變形，而該損傷變形與撞擊船的形狀密切聯(lián)系；形狀更尖銳的剛性船首柱撞擊更容易導致舷側(cè)外板破裂，可作為分析計算工況。

（3）通過研究分析給出碰撞簡化分析技術中碰撞場景、碰撞位置、撞擊船參數(shù)、結構有限元模型、結果分析等方面的建議，該分析技術可方便快速地評估結構的碰撞性能。但對大型浮式結構物舷側(cè)結構尺寸較大，其剛度與撞擊船船首部結構剛度基本相當，將撞擊船視為剛性體的簡化分析技術過于保守，有必要在船舶碰撞過程中考慮撞擊船結構變形、被撞船運動等因素，研究更為精確的分析技術開展碰撞性能分析。

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On collision performance of large fl oating structures

ZHANG Yan-chang1LIU Kun2WANG Pu1JING Bao-jin1
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China)

The collision accident is of great attention during the design under accidental limit state with increasing importance. A large fl oating structure is taken as the research object in this paper. Firstly， the collision scenarios described by rules of ISO， API， HSE， DNV， ABS， BV and LR are summarized and analyzed， resulting in the analysis and design criteria of the collision scenarios. The collision mechanics model is developed based on the simplifi ed analysis method. The numerical simulation and analysis are carried out by the nonlinear dynamic structural analysis software ABAQUS. The crashworthiness of broadside structure is checked and evaluated through the analysis of plastic strain， plastic deformation， energy absorption， impact force and movement. And the eff ects of diff erent collision positions and the striking ship type on collision performance has also been analyzed. The results show that the collision accidental limit strength of broadside collision can meet the rule requirements，and the stem collision which is relatively dangerous can be selected as an analytical control condition.

large floating structures； accidental limit states； collision performance； non-linear finite element analysis

U661.4

A

1001-9855（2015）06-0001-07

2015-10-08；

2015-10-27

張延昌（1977-），男，博士，副教授，研究方向：船舶與海洋結構強度研究、結構設計。

劉 昆（1984-），男，博士，講師，研究方向：船舶與海洋工程結構強度、結構耐撞性能研究。

王 璞（1977-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船體結構設計。

景寶金（1971-），男，碩士，研究員，研究方向：海洋工程設計。