半潛式海洋平臺(tái)與供應(yīng)船尾部發(fā)生正碰分析

王 林，左華楠，劉 平，沈煒煒

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

半潛式海洋平臺(tái)與供應(yīng)船尾部發(fā)生正碰分析

王 林1，左華楠2，劉 平3，沈煒煒2

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著世界上海洋平臺(tái)的增多，船舶與海洋平臺(tái)的碰撞事故也隨之變多，碰撞事故往往產(chǎn)生巨大損失。為了研究其碰撞規(guī)律，本文基于有限元軟件 Ansys/Ls-Dyna，研究分析不同速度下供應(yīng)船尾部與半潛式海洋平臺(tái)的碰撞，碰撞中的流體采用附加質(zhì)量法處理。為確保計(jì)算結(jié)果精度，對(duì)碰撞的局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。計(jì)算結(jié)果表明，正碰時(shí)平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元首先發(fā)生破壞（內(nèi)部結(jié)構(gòu)指水平強(qiáng)框處單元），外板失效所需能量比內(nèi)部結(jié)構(gòu)大；當(dāng)撞擊速度小于破壞速度時(shí)，單元沒(méi)有破壞，但當(dāng)船回彈時(shí)，外板上的板單元產(chǎn)生振動(dòng)，應(yīng)力和能量產(chǎn)生短時(shí)間波動(dòng)。

半潛式平臺(tái)；碰撞；振動(dòng)

0 引 言

海洋結(jié)構(gòu)物的安全性目前受到的關(guān)注越來(lái)越多。由于海洋油氣開(kāi)采增多，所需要的海洋平臺(tái)因此變多，導(dǎo)致船舶與海洋平臺(tái)碰撞事故越來(lái)越多。Tebbet分析了世界上 100 起需要修理的海洋平臺(tái)的損傷原因，認(rèn)為近 25% 的平臺(tái)損傷是由碰撞引起的。當(dāng)發(fā)生碰撞事故時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各方面巨大的損失，例如對(duì)環(huán)境的破壞，人員的傷亡，經(jīng)濟(jì)的損失等。因此為了減少碰撞損失，很有必要研究海洋平臺(tái)的碰撞規(guī)律。

半潛式海洋平臺(tái)是一種大部分浮體沒(méi)于水面下的一種小水線面的移動(dòng)式海洋平臺(tái)，由平臺(tái)本體、立柱和下體或浮箱組成。由于半潛式海洋平臺(tái)在波浪上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在海洋工程中，不僅可用于鉆井，其他如生產(chǎn)平臺(tái)、鋪管船，供應(yīng)船、海上起重船等都可采用。本文研究分析供應(yīng)船與半潛式海洋平臺(tái)的碰撞過(guò)程。它是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力過(guò)程，涉及到的力學(xué)過(guò)程極為復(fù)雜。不但要考慮到平臺(tái)結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力、材料特性，還要考慮到供應(yīng)船的特征以及船舶與海洋平臺(tái)周?chē)鲌?chǎng)的相互影響。所以，要精確計(jì)算碰撞的力學(xué)特性比較困難，目前大多采用有限元分析法。

本文采用 Ansys/Ls-Dyna 軟件來(lái)模擬碰撞過(guò)程，其優(yōu)點(diǎn)是非線性動(dòng)力分析以及顯示積分求解，研究供應(yīng)船與半潛式平臺(tái)碰撞后，平臺(tái)的應(yīng)力與應(yīng)變變化，碰撞力變化以及能量轉(zhuǎn)化，找出碰撞下的規(guī)律，為平臺(tái)安全性方面設(shè)計(jì)提供建議。

1 碰撞模型

船舶與海洋平臺(tái)發(fā)生碰撞的部位有首碰、尾碰與側(cè)碰。這 3 種情況下，側(cè)碰對(duì)海洋平臺(tái)的損傷最大，尾碰次之，首碰最小。因?yàn)閭?cè)碰時(shí)，船舶帶動(dòng)了較多的附連水，碰撞時(shí)的能量最大。根據(jù)文獻(xiàn)[4, 16, 17]，側(cè)碰時(shí)，附連水質(zhì)量系數(shù)取 0.4，首碰和尾碰時(shí)附連水質(zhì)量系數(shù)取 0.1。本文中供應(yīng)船正常工作重量為 8 000 t、平臺(tái)總質(zhì)量為 40 500 t，附連水使用附加質(zhì)量法進(jìn)行分析。

1.1 海洋平臺(tái)參數(shù)及模型

本文根據(jù)所提供的平臺(tái)的 CAD 圖紙，采用 Ansys分別建立平臺(tái)立柱、橫撐和浮箱模型，并對(duì)碰撞區(qū)域的網(wǎng)格單獨(dú)進(jìn)行細(xì)化。

1.2 系統(tǒng)坐標(biāo)

表1 供應(yīng)船主尺度Tab. 1 The dimension of supplier ship

表2 平臺(tái)主尺度Tab. 2 The dimension of platform

坐標(biāo)標(biāo)記為（X，Y，Z）笛卡爾坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)取在平臺(tái)中心處，X軸重合于基線，向平臺(tái)首部方向?yàn)檎?；Y軸垂直于中線面，向右舷為正；Z軸垂直于水線面向上為正。坐標(biāo)以米為單位。本文中所用坐標(biāo)系的示意圖如圖 2 和圖 3 所示。

供應(yīng)船靠泊位置在平臺(tái)首尾 2 個(gè)立柱之間，供應(yīng)船靠泊時(shí)，以船尾靠向平臺(tái)。所以供應(yīng)船對(duì)平臺(tái)可能的撞擊位置為立柱外側(cè)平面或立柱過(guò)渡處（分別稱(chēng)為正側(cè)撞和角撞）以及橫撐、下浮體構(gòu)件。

1.3 邊界條件

本模型沒(méi)有對(duì)平臺(tái)上層建筑建模，與技術(shù)人員協(xié)商后，邊界條件取平臺(tái)立柱上端剛性固定[8-9]。

2 船舶碰撞的簡(jiǎn)化算法

假設(shè)：

1）碰撞區(qū)域兩邊對(duì)稱(chēng)，為矩形。

2）破壞產(chǎn)生在速度最小時(shí)（當(dāng)速度為臨界速度時(shí)，破壞產(chǎn)生在速度降為 0 的時(shí)候），所有的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為破壞區(qū)域內(nèi)的內(nèi)能。若速度最小不為 0 時(shí)，這是動(dòng)能碰撞前后的差量轉(zhuǎn)化為破壞區(qū)域的內(nèi)能。

E0為彈性模量，E1為切線模量；ε0為彈性極限應(yīng)變，ε1為斷裂極限應(yīng)變；a0為假設(shè)破壞彈性區(qū)域半寬，a1為假設(shè)破壞塑性區(qū)域半寬；t為thickness；A為破壞區(qū)域面積；l:破壞區(qū)域長(zhǎng)度；p0：彈性極限應(yīng)力（E0/ε0）；p1為塑性極限應(yīng)力與彈性極限應(yīng)力之差。

塑性應(yīng)變能

彈性應(yīng)變能

形函數(shù)一階假設(shè)在塑性區(qū)域：ε1(x,y)=ε1(0)·y/a1；在彈性區(qū)域：ε0(x,y)=ε0(0)·y/a0。

因此

所以

計(jì)算下面這些數(shù)據(jù)得

用 Matlab 線性回歸得到的經(jīng)驗(yàn)公式為：

因?yàn)橐运苄詰?yīng)變開(kāi)始為正，所以彈性區(qū)域?yàn)樨?fù)值，其絕對(duì)值為彈性區(qū)域大小。

注意的是，式（1）或式（2）必須在產(chǎn)生塑性變形時(shí)使用。

如果碰撞區(qū)域有環(huán)肋，則環(huán)肋先于外板破壞，式（2）可修正為：

式中：A0為環(huán)肋破壞吸收的能量；n為破壞區(qū)域內(nèi)的數(shù)量；A0可由實(shí)驗(yàn)確定。

由以上可知，當(dāng)臨界破壞能由公式無(wú)肋或有肋確定后，由假設(shè) 2 即可求得臨界破壞船速。即

3 仿真結(jié)果分析

3.1 平臺(tái)立柱處碰撞分析

圖4～圖 6 為供應(yīng)船船尾以 3 m/s 速度下正碰平臺(tái)立柱水平強(qiáng)框處應(yīng)力、應(yīng)變圖以及能量時(shí)歷圖。

從應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)歷圖中可看到，船尾與平臺(tái)在0.06 s 時(shí)發(fā)生碰撞，碰撞剛開(kāi)始時(shí)平臺(tái)立刻發(fā)生變形，與此對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)生彈性應(yīng)變，隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力不斷增大直到超出極限應(yīng)力后，單元產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變圖中為塑性應(yīng)變。相應(yīng)的，應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增大，其應(yīng)力變化率剛開(kāi)始時(shí)較大，因?yàn)閯傞_(kāi)始時(shí)發(fā)生彈性應(yīng)變，單元的應(yīng)變率較大。之后，應(yīng)力的變化率開(kāi)始減小，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)生塑性變形，此單元的應(yīng)變率較小。

外板單元曲線到達(dá) 0.56 s 時(shí)，應(yīng)變不再增加，但是對(duì)應(yīng)的應(yīng)力卻減小?？梢缘弥鲎惨呀?jīng)結(jié)束，供應(yīng)船往回彈，由于之后的變形為塑性變形，其不能恢復(fù)所以不發(fā)生變化，而彈性變形會(huì)減小，相應(yīng)的應(yīng)力也開(kāi)始減小。

通過(guò)觀察碰撞區(qū)域應(yīng)變圖可知，內(nèi)部單元的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)?0.22 s 同時(shí)變成 0。這說(shuō)明內(nèi)部單元在此時(shí)已經(jīng)失效，觀察其應(yīng)變可知，此時(shí)，其塑性應(yīng)變達(dá)到材料所定義的失效應(yīng)變 0.34，單元自動(dòng)失效[21]。并且根據(jù)應(yīng)變時(shí)歷曲線可知單元完全失效，外板單元在 0.56 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定的應(yīng)變狀態(tài)，觀其應(yīng)變可知外板單元并未失效。

從能量時(shí)歷圖可看到，船舶的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的勢(shì)能。碰撞過(guò)程中，船舶的動(dòng)能急劇減小，平臺(tái)的勢(shì)能急劇增大。在大約 0.56 s 時(shí)，平臺(tái)的勢(shì)能達(dá)到最大而船舶的動(dòng)能達(dá)到最小，這表明船舶此時(shí)處于最大碰撞。再這之后，平臺(tái)的勢(shì)能略微減少，船舶的動(dòng)能略微增加，說(shuō)明碰撞達(dá)到最大值之后，平臺(tái)對(duì)船舶產(chǎn)生反作用，使船向反方向運(yùn)動(dòng)。大約在 0.75 s，平臺(tái)的勢(shì)能與船舶的動(dòng)能趨于穩(wěn)定。

從圖中可知，外板單元沒(méi)有失效。通過(guò)讀取能量曲線（internal energy），內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)時(shí)間-能量點(diǎn)為 (0.19,1.562783×107)，外板單元時(shí)間-能量點(diǎn)為(0.568,3.908599×107)，所以供應(yīng)船正碰立柱水平強(qiáng)框處的最小極限破裂速度估算如下：

可知，外板單元并未破壞，所以船尾正碰平臺(tái)立柱時(shí)，平臺(tái)內(nèi)部單元首先發(fā)生破壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指水平強(qiáng)框處單元，外板失效所需能量比內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效所需能量大。

3.2 平臺(tái)下浮體處碰撞分析

圖7～圖 9 為供應(yīng)船以 1 m/s 的速度正碰下浮體上部過(guò)渡處的應(yīng)力、應(yīng)變以及能量時(shí)歷圖

從應(yīng)力曲線可看到，供應(yīng)船在 0.34 s 時(shí)與平臺(tái)碰撞，應(yīng)力急劇增大，在 0.5 s 時(shí)達(dá)到最大值，之后應(yīng)力下降，說(shuō)明供應(yīng)船已經(jīng)回彈，接著，應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生低頻率的波動(dòng)。

從應(yīng)變曲線可看出，0.5 s 之后，平臺(tái)的應(yīng)變不再變化，而應(yīng)力卻開(kāi)始減小?？梢灾琅鲎惨呀?jīng)結(jié)束，塑性變形由于不能恢復(fù)而不發(fā)生變化，彈性變形會(huì)減小，所以應(yīng)力減小。圖中最大應(yīng)變?yōu)?0.076，小于材料的失效應(yīng)變 0.34。單元沒(méi)有被破壞。

從能量圖可看出，船舶的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的勢(shì)能。大約在 0.4 s 時(shí)，平臺(tái)的勢(shì)能和船舶的動(dòng)能產(chǎn)生短時(shí)間的低頻波動(dòng)，船舶的動(dòng)能與平臺(tái)勢(shì)能之和略小于船舶初始動(dòng)能[18]?？梢酝茰y(cè)平臺(tái)可能發(fā)生短時(shí)間內(nèi)的低頻振動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了供應(yīng)船與半潛式平臺(tái)的碰撞，得出了半潛式海洋平臺(tái)在供應(yīng)船尾碰撞下的應(yīng)力、應(yīng)變與能力交換的時(shí)程結(jié)果同時(shí)，通過(guò)這些計(jì)算，得出如下規(guī)律：

1）碰撞過(guò)程中正碰時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元首先發(fā)生破壞-此處內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指水平強(qiáng)框處單元，外板失效所需能量比內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效所需能量大。以上碰撞水平強(qiáng)框處時(shí)，可充分接觸水平強(qiáng)框，導(dǎo)致水平強(qiáng)框先破壞。所以，水平強(qiáng)框起到了吸收能量，保護(hù)外板的作用。但水平強(qiáng)框間隔不宜過(guò)小，使得結(jié)構(gòu)過(guò)強(qiáng)，進(jìn)而使外板在被碰撞時(shí)直接破壞。

2）撞擊位置的不同，能量轉(zhuǎn)化也不一樣。當(dāng)撞擊速度小于破壞速度時(shí)，單元沒(méi)有破壞，當(dāng)船回彈時(shí)，外板上的單元由于彈塑性材料及彈性應(yīng)變的影響導(dǎo)致板單元產(chǎn)生“振動(dòng)”過(guò)程，應(yīng)力和能量產(chǎn)生短時(shí)間波動(dòng)，但這種低速碰撞導(dǎo)致外板產(chǎn)生的低速低頻振動(dòng)，對(duì)于工作時(shí)的平臺(tái)，會(huì)造成很大的影響，平臺(tái)無(wú)法正常工作，是平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一點(diǎn)。

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Simulation analysis of the frontal collision between semi-submersible platform and stern of the supply ship

WANG Lin1, ZUO Hua-nan2, LIU Ping3, SHEN Wei-wei2
(1. Jiangsu University of Science and Technology, Ship and Architectural Engineering School, Zhangjiagang 212003, China; 2. Jiangsu University of Science and Technology, Naval Architecture and Ocean Engineering School, Zhenjiang 212003, China; 3. Jiangsu University of Science and Technology, Civil and Architecture School, Zhenjiang 212003, China)

Due to the increase of the ocean platforms, the frequency of collision between ship and platforms becomes more and more high, causing huge losses. In order to study the law of collision between ship and platform, this paper, based on the finite element software Ansys/LS-DYNA, studying on the collision between ocean platform and stern of ship in different speed, fluid in collision is treated in the way of additional mass. Local area of collision is conducted mesh refinement in sure of the accuracy of computation. The result show that the internal structural unit of the platform is destroyed first when frontal collision happens, outer panel need more energy than internal structure when unit fail. When impact velocity is less than failure velocity, unit is not destroyed. However, when ship springs back, unit of outer panel will vibration, stress and energy will have short-time fluctuate.

semi-submersible platform；collision；vibration

U661.43

A

1672 - 7619(2017)04 - 0069 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.014

2016 - 07 - 30；

2016 - 08 - 29

王林(1963 - )，男，教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)。