碰撞力作用下半潛式海洋平臺系泊纜受力情況分析

(1.大連中遠海運川崎船舶工程有限公司，遼寧大連 116052；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

1 引 言

半潛式海洋平臺具有穩(wěn)性和抗沉性好，相對投資較小，適應(yīng)外界復(fù)雜海洋環(huán)境能力強，平臺甲板面積大，立柱等結(jié)構(gòu)使得甲板可承受荷載較大；另外平臺有著生產(chǎn)能力強，可在水深較深海域部署以及作業(yè)范圍廣等優(yōu)點。因此在深海油氣勘探和開采中使用的浮式平臺中，半潛式海洋平臺占有很大的比例，同時也是很多石油公司的首選。其中半潛式海洋平臺主要由四大主要部件組成，分別為下浮體、立柱、甲板和上層建筑；半潛式海洋平臺作業(yè)海域海況不確定因素較多，不可避免地會出現(xiàn)極端碰撞事故的發(fā)生，一旦發(fā)生嚴重碰撞后，極易對平臺造成結(jié)構(gòu)損壞、纜繩斷裂以及重大的經(jīng)濟損失等后果，并且會伴隨有嚴重的環(huán)境污染問題。在這樣的背景下，本文將對碰撞力作用下的半潛式海洋平臺系泊纜受力情況進行分析調(diào)查研究。半潛式海洋平臺展示如圖1。

圖1 半潛式鉆井平臺

截至本課題開展期間，國內(nèi)外研究者對系泊應(yīng)纜受力情況的分析主要關(guān)注風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的評估方法上，并未對碰撞力等外力作用下的情況進行深入研究。其中，對于受到風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的海洋結(jié)構(gòu)物-系泊系統(tǒng)進行的分析研究，現(xiàn)在主要有兩種方案，一是劉應(yīng)中，繆國平和李誼樂等的時域非耦合法；二是童波，楊建明和李欣的全時域耦合法，劉應(yīng)中等對一聯(lián)合海況下的船舶-系泊系統(tǒng)進行分析，從船舶的運動響應(yīng)入手，結(jié)合系泊結(jié)構(gòu)連接點的運動響應(yīng)后求解得出系泊纜索的動力特性，童波等對一半潛式平臺-系泊系統(tǒng)進行對比研究，結(jié)論是張緊式系泊系統(tǒng)在復(fù)雜海況下隨著安裝水深的加深，表現(xiàn)出更優(yōu)異的定位能力。上述研究成果主要是考慮風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用半潛式平臺系泊應(yīng)纜受力情況，并未考慮碰撞情況對平臺系泊應(yīng)纜受力情況的影響，而在碰撞情況下半潛式平臺系泊應(yīng)纜張力變化也將影響到其工作效率和設(shè)備安全性，因此有必要對半潛式海洋平臺系泊應(yīng)纜在碰撞力作用下的受力情況分析進行深入的研究。

本文以一半潛式海洋平臺立柱遭受供給船船尾正向碰撞為實例進行研究，首先運用非線性有限元方法進行模型創(chuàng)建，根據(jù)算例條件為半潛式平臺創(chuàng)建三維有限元模型，為供給船船尾創(chuàng)建集中質(zhì)量模型，使用LS-DYNA軟件對該碰撞進行受力計算，同時考慮除碰撞力外其他外載荷，如風(fēng)、浪、流等的聯(lián)合作用，在AQWA軟件中對半潛式海洋平臺系泊纜受力情況進行數(shù)值計算。

2 理論方法介紹

2.1 碰撞力計算方法

半潛式平臺的運動微分方程：

(1)

根據(jù)本文分析的碰撞案例，將微分方程改寫成：

(2)

式中：M為平臺質(zhì)量矩陣，an為平臺加速度，C為材料阻尼矩陣，vn為平臺速度，K為材料剛度矩陣，dn為平臺位移。

對質(zhì)量矩陣M求逆矩陣，并點乘剩余力矢量求出加速度：

(3)

若矩陣M為對角矩陣，原線性方程組將成為一系列一元一次方程，并且此系列方程關(guān)于各個自由度獨立，可得出加速度ani為n：

(4)

解決大部分非線性動力學(xué)問題的常用方法是顯式有限元求解法，而顯式中心差分法是求解碰撞問題時的常用方法。本文在應(yīng)用顯式中心差分法求解碰撞力時，臨界時間步長常由應(yīng)力波速c比上與有限單元網(wǎng)格的特征長度的比值近似求得，在每一時間步范圍內(nèi)，離散節(jié)點的加速度通過對設(shè)定的平臺碰撞速度計算得出，并對每一節(jié)點上的速度分量與位移分量上進行積分，可得出單一有限單元數(shù)據(jù)，包括應(yīng)力和應(yīng)變率，為單元節(jié)點應(yīng)力，其中碰撞力表示為：

c*vk/2) 其中k=1,2…n

(5)

顯示積分無須求解聯(lián)立方程組，也不需要對矩陣進行求逆矩陣或分解計算，更不用考慮收斂性問題，并且其穩(wěn)定性準則自行控制表達式計算時間步長，基于以上特點，顯示積分具有計算速度快，時間積分精度高的優(yōu)點。

2.2 系泊系統(tǒng)分析方法

系泊系統(tǒng)分析由兩種分析方法，分別為靜力分析法以及動力分析法。兩種分析方法相比，靜力分析方法計算結(jié)果無法精確反映結(jié)構(gòu)物的運動響應(yīng)，這是因為靜力法無法把平臺和系泊兩系統(tǒng)的耦合作用納入分析范圍，并且該方法忽略系泊纜的彈性變形，環(huán)境荷載對兩系統(tǒng)產(chǎn)生的動力效應(yīng)，以及流體運動對系泊纜產(chǎn)生的力等因素對結(jié)果的影響。因此，生產(chǎn)實踐中廣泛使用動力分析法進行分析，其中動力分析法分為有限元法和集中質(zhì)量法兩種分析方法，本文對系泊系統(tǒng)采用有限元動力分析法。

其中有限元法充分考慮了系泊纜所受水動力，以及平臺結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變對計算結(jié)果的影響，使得分析結(jié)果更加貼近現(xiàn)實狀況，計算中把纜繩類比為等彎曲剛度的細長型結(jié)構(gòu)，再將其簡化為基本模型，利用彈性梁模型進行求解計算。按照理論分析，此方法所得結(jié)果比集中質(zhì)量法所得更加精確，但也使得計算過程更加復(fù)雜，其中運動方程為：

(6)

(7)

3 算例分析

3.1 數(shù)值模型與碰撞參數(shù)

本文算例選用我國深水半潛式鉆井平臺作為計算對象，該平臺專為南海海域深海石油氣開采設(shè)計建造，平臺主體由四部分結(jié)構(gòu)組成，分別為浮體、立柱、甲板和上層建筑。算例中坐標系原點取平臺縱向?qū)ΨQ面、橫向?qū)ΨQ面和水線面三面交點，另設(shè)X坐標正方向為艏部指向方向，Y坐標正方向垂直于左舷，Z坐標正方向指向上層建筑。本文研究對象為半潛式海洋平臺以及碰撞船船尾，主要參數(shù)見表1，半潛式海洋平臺和碰撞船船尾模型如圖2所示。

表1 目標平臺與碰撞船的主要參數(shù)/m

在撞擊過程中，半潛式海洋平臺受到的結(jié)構(gòu)損傷以及撞擊造成的結(jié)構(gòu)破壞，其嚴重程度受到多重因素影響，如兩者碰撞角度、相對速度、撞擊位置等，實際撞擊時，撞擊參數(shù)的不確定性顯著，分析中考慮各種狀況的疊加將給計算帶來較大困難[5]?？紤]上述復(fù)雜因素，本文將僅對單個撞擊參數(shù)對平臺結(jié)構(gòu)損壞的影響進行分析研究，場景假定為算例碰撞船船尾以2m/s的相對速度正向撞擊平臺立柱。

3.2 建立水動力模型

半潛式平臺的設(shè)計水深為200m，算例中平臺使用懸鏈線式系泊，每根纜索設(shè)計為兩端錨固結(jié)構(gòu)采用鋼鏈，中部索體材料為聚酯繩，此設(shè)計方便施工和防止海底摩擦破壞錨固結(jié)構(gòu)；參考API RP 2SM及API RP 2SK系泊系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，本文算例所采用系泊纜索具體參數(shù)如表2所示，系泊纜索水動力系數(shù)如表3所示。

系泊纜索的重要參數(shù)之一，纜索頂端導(dǎo)纜孔位置如表4所示，由于導(dǎo)纜孔位置相對于平臺縱向橫向?qū)ΨQ，表格中只展示一方向上三個導(dǎo)纜孔的位置，另外表中導(dǎo)纜孔序號與圖3中系泊纜索序號一一對應(yīng)，表4中所使用坐標系以垂直方向上平臺幾何中心為原點。

表2 系泊纜索參數(shù)

表3 系泊纜索水動力系數(shù)

表4 導(dǎo)纜孔位置

平臺系泊系統(tǒng)設(shè)計采用12根懸鏈線式纜索，將纜索按3×4布局對稱布置，一共四組系泊纜，每組由3根纜索組成，使其纜繩夾角分別為37°/40°/45°，頂端預(yù)張力2500KN，算例中坐標系原點取平臺縱向?qū)ΨQ面、橫向?qū)ΨQ面和水線面三面交點，另設(shè)X坐標正方向為艏部指向方向，Y坐標正方向垂直于左舷，Z坐標正方向指向上層建筑，具體布置如下圖3所示。

圖3 系泊纜索布置圖

依據(jù)API RP 2SK，在運用動力分析法研究時，纜索受最大張力時的安全系數(shù)應(yīng)不小于規(guī)范中的安全系數(shù)，設(shè)計安全系數(shù)如表5所示。本算例模型在時域分析中所采用環(huán)境條件，按照設(shè)定取為不規(guī)則波，本算例所采用海洋環(huán)境條件如下：風(fēng)、浪、流的運動方向均取0°，利用JONSWAP譜模擬波浪，有義波高取1.10m，譜峰周期取7.1s，譜峰升高因子取4.0，具體波譜如圖3所示；在AQWA軟件中建立算例模型，半潛式平臺以及其系泊系統(tǒng)模型如圖4-5所示。

表5 錨泊纜設(shè)計安全系數(shù)[63]

圖4 JONSWAP波浪譜

圖5 系泊系統(tǒng)全局圖

圖6 系泊系統(tǒng)局部圖

4 碰撞力作用下系泊系統(tǒng)性能分析

利用非線性分析軟件LS-DYNA對本算例撞擊模型進行數(shù)值仿真模擬，計算導(dǎo)出船尾與半潛式平臺的碰撞力時程曲線，為減小干擾，該曲線忽略導(dǎo)纜器等附件的影響，曲線如圖7所示。

圖7 船尾與海洋平臺碰撞力時程曲線

總體來看，碰撞力曲線極具非線性特性，在船尾與半潛式平臺的碰撞過程中，平臺整體運動與受力情況有一定程度上的滯后性，在撞擊發(fā)生瞬時和短暫一段時間之后，即撞擊的初始階段中時間t為0.8s至0.9s時，碰撞力呈急劇陡峭上升，此時出現(xiàn)最大碰撞力，數(shù)值為4.27E+7N，應(yīng)力圖見圖8-9所示；由于碰撞物體巨大，撞擊因慣性作用不立即停止并繼續(xù)進行，平臺立柱開始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效狀況并發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，該計算單元在分析中被作刪除處理，使得圖7曲線出現(xiàn)波峰；隨著立柱發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞以及撞擊船運動速度逐漸降低，撞擊力也隨之減小；撞擊發(fā)生2s后半潛式平臺開始出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，碰撞力隨時間推移呈拋物線式減小。

本次算例數(shù)值計算是對半潛平臺和平臺系泊系統(tǒng)在真實撞擊環(huán)境下，進行的時域完全耦合狀態(tài)下的動態(tài)分析。算例中平臺的初始位置取動平衡位置，為得到極限數(shù)據(jù)，即最大的臨界張力值，本例中半潛式平臺的系泊系統(tǒng)受到風(fēng)、浪、流同方向作用，本次計算的系泊纜張力時程曲線見圖10-21所示，計算結(jié)果統(tǒng)計值如下表6所示。

圖8 0.5s的應(yīng)力云圖

圖9 1s的應(yīng)力云圖

圖10 1#系泊纜張力時程曲線 圖11 2#系泊纜張力時程曲線

圖12 3#系泊纜張力時程曲線 圖13 4#系泊纜張力時程曲線

圖14 5#系泊纜張力時程曲線 圖15 6#系泊纜張力時程曲線

圖16 7#系泊纜張力時程曲線 圖17 8#系泊纜張力時程曲線

圖18 9#系泊纜張力時程曲線 圖19 10#系泊纜張力時程曲線

圖20 11#系泊纜張力時程曲線 圖21 12#系泊纜張力時程曲線

編號無碰撞力(kN)有碰撞力(kN)MeanMinMaxMeanMinMax1#701.891498.5491173.108743.213465.4161472.4822#699.562504.1431142.691742.719463.1341494.4773#695.145512.7021086.565740.200462.8341527.8034#701.856498.3171173.465744.161484.8441614.1825#699.525503.9061143.045744.312480.4241628.8756#695.106512.7831086.850743.561475.6041604.0407#783.967538.6311414.588817.739449.1942005.4818#768.277538.4451338.810804.692439.3592004.4179#750.788542.8761237.751790.630431.4041979.26510#784.022538.5641415.374826.586487.4821855.24611#768.327538.3751339.513813.477476.1861871.17712#750.827542.8071238.221799.574468.6161870.514

5 結(jié) 論

本文利用碰撞問題以及水動力問題的數(shù)值模擬技術(shù)，基于LS-DYNA非線性分析軟件和AQWA流體分析軟件，建立模型計算研究了船尾與半潛式平臺碰撞問題和真實碰撞過程中半潛平臺的系泊系統(tǒng)受力情況，將水動力數(shù)值計算和撞擊問題中的動力分析相結(jié)合，實現(xiàn)了在真實海況中，受風(fēng)、浪、流同方向作用下，有碰撞力作用的半潛平臺的系泊系統(tǒng)時域耦合水動力數(shù)值模擬。得到了以下主要結(jié)論：

(1)隨著碰撞過程的進行，平臺不僅發(fā)生了位移變化，還伴隨有旋轉(zhuǎn)過程的發(fā)生。在運動的過程中，由于碰撞力的作用使得平臺位移在每個方向都有增大，從而導(dǎo)致系泊纜總體張力都呈增大趨勢。

(2)本次分析結(jié)果綜合考慮仿真環(huán)境力方向和碰撞位置及作用方向的影響。例如：由于碰撞力作用在平臺左舷后側(cè)的立柱，使得系泊纜變化承7、8、9號系泊纜張力響應(yīng)值最大，1、2、3號系泊纜張力響應(yīng)值最小。