半潛支持平臺(tái)與鉆井生產(chǎn)平臺(tái)間碰撞響應(yīng)分析

林猛，李光明，朱紹文，郝寧，郭君

1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢市 430000

隨著當(dāng)今世界海洋開發(fā)的逐漸深入，各種類型的海洋平臺(tái)數(shù)量也逐年上漲，大型海洋結(jié)構(gòu)物之間的碰撞事故的發(fā)生頻率也越來越高，其中大部分為海洋供應(yīng)船與海洋平臺(tái)之間的碰撞，而對(duì)于海洋平臺(tái)之間的碰撞，由于碰撞物的噸位更大，碰撞位置更多變，碰撞角度更靈活，因此可能造成更為嚴(yán)重的后果。目前，國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者更關(guān)注船舶與海洋平臺(tái)間的碰撞問題。金偉良等[1]采用非線性彈簧來模擬受損構(gòu)件的內(nèi)凹特性，計(jì)算分析了船舶側(cè)向撞擊導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)在不同的碰撞接觸時(shí)間下的構(gòu)件損傷情況。王自力等[2]結(jié)合理論分析與數(shù)值仿真研究了船舶碰撞外部機(jī)理與內(nèi)部機(jī)理之間的滯后效應(yīng)。他指出，這種滯后效應(yīng)與撞擊速度相關(guān)，用于分析高速撞擊問題。葉文兵[3]比較了3種數(shù)值仿真方法，研究了艙內(nèi)液體、撞擊位置與撞擊速度對(duì)船舶耐撞性的影響。Amante 等[4]考慮幾何非線性與材料非線性，研究受供應(yīng)船撞擊后的半潛式平臺(tái)圓筒的抗彎強(qiáng)度，并與完整的半潛式平臺(tái)的極限抗彎強(qiáng)度進(jìn)行比較分析。高振國(guó)等[5]模擬了3種工況，即供應(yīng)船船側(cè)沿橫向、縱向、斜向撞擊半潛式平臺(tái)立柱時(shí)，研究立柱結(jié)構(gòu)的抗撞特性，并評(píng)估了撞擊對(duì)平臺(tái)整體強(qiáng)度的影響。Martin Storheim 等[6]運(yùn)用非線性數(shù)值仿真分析了7 500 t帶有球鼻艏的供應(yīng)船撞擊固定管架海洋平臺(tái)的損傷情況，主要關(guān)注損壞行為和管架是否會(huì)刺入船舶及對(duì)碰撞的影響。本文對(duì)支持平臺(tái)和鉆井生產(chǎn)平臺(tái)之間的碰撞展開研究，主要關(guān)注碰撞后平臺(tái)結(jié)構(gòu)的碰撞力、損傷、能量轉(zhuǎn)化情況，為平臺(tái)的損傷評(píng)估提供一定參考。

1 支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)的有限元模型

支持平臺(tái)與生產(chǎn)平臺(tái)之間的碰撞一般發(fā)生在支持平臺(tái)靠泊生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)給作業(yè)的過程中，如圖1所示。半潛式支持平臺(tái)處于靠泊連接就位位置，和生產(chǎn)平臺(tái)之間通常保持?jǐn)?shù)十米距離。此時(shí)，支持平臺(tái)在自身系泊系統(tǒng)作用下，和生產(chǎn)平臺(tái)近距離靠泊連接，以進(jìn)行人員和物資的轉(zhuǎn)運(yùn)。在此靠泊過程中，由于操作失誤或在強(qiáng)烈的風(fēng)、浪、流作用下，支持平臺(tái)可能會(huì)以一定速度和一定角度撞向被補(bǔ)給平臺(tái)，從而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

圖1 支持平臺(tái)靠泊生產(chǎn)平臺(tái)示意

1.1 支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)主要參數(shù)

支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸有所差異，但整體結(jié)構(gòu)組成相似。平臺(tái)的下浮體采用簡(jiǎn)單箱形，下浮體主要由外板和內(nèi)結(jié)構(gòu)組成；上船體也采用規(guī)則的箱形結(jié)構(gòu)，上船體下部有4個(gè)高度相等的方立柱，立柱主要由外板、水密平臺(tái)、非水密平臺(tái)、水密通道圍壁、水密艙室、垂向加強(qiáng)筋和水平加強(qiáng)筋組成。支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)有限元模型如圖2、3所示。

圖2 支持平臺(tái)有限元模型

圖3 鉆井平臺(tái)有限元模型

網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格尺寸對(duì)有限元分析計(jì)算的精度和計(jì)算時(shí)間影響較大，根據(jù)K?rgesaar 等[7]得到的結(jié)論：碰撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸與結(jié)構(gòu)厚度的比值在2～20結(jié)果可靠。為提高計(jì)算速度，將碰撞區(qū)的網(wǎng)格細(xì)化為0.03 m，可以在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上提高計(jì)算效率，最終建立的支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)數(shù)約為80 000個(gè)，單元數(shù)約為90 000個(gè)。

1.2 支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)的碰撞工況

圖4為兩平臺(tái)相撞的示意圖，碰撞角度分別為0°、30°和90°?？紤]到正常海況下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和惡劣海況下海洋平臺(tái)間相接觸時(shí)風(fēng)、浪、流等對(duì)海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響，碰撞速度分別為3和0.6 m/s，分別對(duì)應(yīng)高能碰撞情況和低能碰撞情況。本文將2個(gè)平臺(tái)的吃水高度均設(shè)置在作業(yè)吃水狀態(tài)，2個(gè)平臺(tái)相撞的6個(gè)具體工況如表2所示。

圖4 碰撞工況示意

表2 支持平臺(tái)撞擊鉆井平臺(tái)工況

1.3 數(shù)值模擬主要參數(shù)設(shè)置

支持平臺(tái)-鉆井平臺(tái)的撞擊區(qū)材料模型采用雙線性彈塑性動(dòng)態(tài)模型即Cowper-Symonds（MAT24）彈塑性材料，材料參數(shù)如表3所示[8]。

表3 彈塑性材料參數(shù)

在碰撞過程中，周圍流體在短時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生較大的阻力阻礙平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。在數(shù)值仿真時(shí)，對(duì)這一現(xiàn)象的描述一般有2種方法，一是準(zhǔn)確建立流體模型，采用流固耦合算法計(jì)算；二是采用附加質(zhì)量法。王自力等[9]通過對(duì)兩船相撞的數(shù)值模擬，得出流固耦合算法的計(jì)算時(shí)間幾乎占用了整個(gè)計(jì)算時(shí)間的98%，而應(yīng)用附加質(zhì)量法會(huì)使計(jì)算時(shí)間大大減少，且最大誤差不超過10%。本文采用附加質(zhì)量法來描述結(jié)構(gòu)周圍流體的作用，選取的附連水質(zhì)量系數(shù)如表4所示[10]。其中斜角度撞擊時(shí)的附連水質(zhì)量系數(shù)按照差值方法取為0.17。

表4 附連水質(zhì)量系數(shù)

2 平臺(tái)碰撞仿真結(jié)果分析

2.1 碰撞力對(duì)比分析

SP-DP1～SP-DP6這6種工況包含0.6和3 m/s 2種初始碰撞速度，3種平臺(tái)撞擊角度。圖5為SP-DP1至SP-DP6的撞擊力時(shí)歷曲線，其中（a）、（b）、（c）為碰撞速度為3 m/s時(shí)碰撞力時(shí)歷曲線，（d）、（e）、（f）為碰撞速度為 0.6 m/s時(shí)碰撞力時(shí)歷曲線。

圖 5 碰撞力時(shí)歷曲線

從圖5可以看出碰撞力曲線呈現(xiàn)明顯振動(dòng)，這是由于碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)存在局部振動(dòng)，其擬合曲線可以代表碰撞力的發(fā)展趨勢(shì)。從碰撞時(shí)間來看，碰撞時(shí)間大致在1～4 s。碰撞速度越大，兩平臺(tái)的碰撞接觸時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于大型海洋平臺(tái)來說，其自搖周期大致在20 s左右，因此碰撞時(shí)間大致為平臺(tái)自搖周期的1/20～1/5。在碰撞速度相同時(shí)，平臺(tái)間呈0°夾角時(shí)碰撞力的曲線最陡峭，碰撞力峰值也最大；30°角次之；90°夾角相撞碰撞力最小。這是由于SP-DP1和SP-DP4碰撞屬于正碰，在水平面內(nèi)不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，所有耗散能量都需要正面碰撞消耗；其他工況平臺(tái)在碰撞發(fā)生后會(huì)以碰撞接觸點(diǎn)為圓心在水平面內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，動(dòng)能有很大一部分由平動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，因此碰撞力較小。圖5（c）曲線中SP-DP3的撞擊力在碰撞初期迅速增加，當(dāng)撞擊力維持一段時(shí)間，原因是支持平臺(tái)尖艏結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，在此碰撞力下持續(xù)變形。

2.2 結(jié)構(gòu)損傷對(duì)比分析

碰撞角度決定了平臺(tái)之間的碰撞區(qū)域，使兩平臺(tái)接觸面積和接觸結(jié)構(gòu)均不相同，圖6為支持平臺(tái)撞鉆井平臺(tái)的損傷變形云圖，其中圖6（a）、（b）為 SP-DP1下結(jié)構(gòu)的變形云圖，（c）、（d）為SP-DP2下結(jié)構(gòu)的變形云圖，（e）、（f）為 SP-DP3下結(jié)構(gòu)的變形云圖。

圖6 支持平臺(tái)撞鉆井平臺(tái)的應(yīng)力云圖

從圖 6（a）、（b）中可知，SP-DP1下支持平臺(tái)涉及到的主要變形為下浮體外板面的拉伸變形和內(nèi)部桁材的褶皺變形。鉆井平臺(tái)下浮體外板變形的位置是與支持平臺(tái)的艙壁板和強(qiáng)框等桁材相碰的位置。由于重心高于撞擊區(qū)，碰撞后上船體相互靠攏，故下浮體上邊緣成為支點(diǎn)，其應(yīng)力值更高，是結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要位置。

如圖 6（c）、（d）所示，兩平臺(tái)以 30°角發(fā)生碰撞后，支持平臺(tái)的下浮體艏側(cè)面產(chǎn)生凹陷變形，隨著碰撞區(qū)域逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力集中在凹陷區(qū)邊緣，凹陷區(qū)中心不再直接與鉆井平臺(tái)發(fā)生接觸，碰撞后期下浮體艏側(cè)板完全內(nèi)凹后，碰撞應(yīng)力主要由艏側(cè)板四周相鄰的外板結(jié)構(gòu)承擔(dān)。鉆井平臺(tái)的應(yīng)力集中在碰撞區(qū)的4個(gè)角處。原因是支持平臺(tái)產(chǎn)生內(nèi)凹后，4個(gè)角的結(jié)構(gòu)剛度最大，構(gòu)成4個(gè)尖角，鉆井平臺(tái)在這4個(gè)角對(duì)應(yīng)位置處出現(xiàn)穿透失效。

SP-DP3的兩平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形情況如圖 6（e）、（f）所示，SP-DP3鉆井平臺(tái)和支持平臺(tái)的結(jié)構(gòu)變形和失效形式與SP-DP2類似，區(qū)別在于SP-DP3碰撞區(qū)域較小，應(yīng)力更集中。

2.3 能量轉(zhuǎn)化對(duì)比分析

表5為各種工況下碰撞結(jié)束后系統(tǒng)的總能量、摩擦能和系統(tǒng)動(dòng)能、內(nèi)能占總能量比例分配情況。支持平臺(tái)動(dòng)能的耗散主要轉(zhuǎn)化為鉆井平臺(tái)的動(dòng)能和兩平臺(tái)結(jié)構(gòu)變形吸收的內(nèi)能。其中動(dòng)能占比超過一半，內(nèi)能占比較小。說明碰撞后兩平臺(tái)仍繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間直到動(dòng)能完全耗散。在0°角正碰時(shí)，由于兩平臺(tái)接觸面積更大，參與吸能的構(gòu)件更多，所以吸能比例更高；而在斜角度撞擊時(shí)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)吸能比例更小；90°角撞擊時(shí)，接觸面積最小，因此形成更嚴(yán)重的局部損傷。

表5 碰撞結(jié)束后系統(tǒng)能量分配情況

圖7為鉆井平臺(tái)的下浮體外板、下浮體內(nèi)結(jié)構(gòu)和立柱結(jié)構(gòu)吸能時(shí)歷曲線。

圖7 鉆井平臺(tái)碰撞區(qū)域各結(jié)構(gòu)吸能情況

從圖中可知，只有平臺(tái)側(cè)面正碰的時(shí)候平臺(tái)下浮體的外板和內(nèi)結(jié)構(gòu)變形所吸收的能量是相近的，并且內(nèi)結(jié)構(gòu)吸收的能量更多一些。而另外2種工況下，均是外板吸收了更多的能量，尤其是夾角為30°時(shí)，二者相差接近5倍。這說明平臺(tái)碰撞時(shí)各結(jié)構(gòu)的變形吸能情況由碰撞區(qū)域范圍和碰撞位置結(jié)構(gòu)決定。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)支持平臺(tái)與鉆井生產(chǎn)平臺(tái)間的碰撞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析得到了碰撞力、結(jié)構(gòu)損傷、結(jié)構(gòu)吸能等碰撞響應(yīng)特性，總結(jié)規(guī)律如下：

1）當(dāng)碰撞速度一定時(shí)，兩平臺(tái)以0°角正碰時(shí)碰撞力最大，30°角時(shí)次之，90°角時(shí)最小，說明平臺(tái)間碰撞的碰撞力隨碰撞角度的增大而增大。

2）平臺(tái)的初始動(dòng)能主要由碰撞后兩平臺(tái)的變形損傷所吸收，其中0°角正碰時(shí)，兩平臺(tái)接觸面積更大，吸能比例更高，而在斜角度撞擊時(shí)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)吸能比例更小，但局部損傷更為嚴(yán)重。