導(dǎo)管架船撞損傷與剩余強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)有限元模擬與評(píng)估方法

任灝，方輝，魏鑫澤

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663；2.中國(guó)海洋大學(xué)山東海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266100）

近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)大力發(fā)展，但是在 風(fēng)電裝備運(yùn)行過(guò)程中，船舶失控撞擊風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的事故頻發(fā)，輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部凹陷，重則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體變形，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載性能。2017年8月20日，臺(tái)風(fēng)“天鴿”侵襲南海附近海域，將大量船只卷入海上風(fēng)電場(chǎng)，造成風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重?fù)p傷。目前，我國(guó)對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)船撞事故研究較少，針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物碰撞的計(jì)算分析方法與規(guī)范不足，無(wú)法實(shí)施損傷結(jié)構(gòu)的承載性能評(píng)估，導(dǎo)致后續(xù)工程的施工及運(yùn)行維護(hù)無(wú)法進(jìn)行，只得拆除損傷結(jié)構(gòu)，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，結(jié)構(gòu)損傷與剩余強(qiáng)度評(píng)估成為海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維保障關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為依托，開(kāi)展船撞事故后導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)損傷與剩余強(qiáng)度研究。

海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)體積較大，4 MW風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)泥面以上高度約18 m，針對(duì)其碰撞問(wèn)題的研究，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或比例模型試驗(yàn)的成本較高，多采用理論或數(shù)值方法進(jìn)行分析。李艷貞［1］基于5 000 t船舶和桁架式導(dǎo)管架基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)，采用非線性有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析程序MAC.Dytran以不同碰撞速度對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行碰撞研究，得到結(jié)構(gòu)局部損傷特性、碰撞力-凹陷位移曲線和能量轉(zhuǎn)化形式特點(diǎn)。其次研究了一集裝箱船船側(cè)正碰導(dǎo)管架風(fēng)電基礎(chǔ)，同時(shí)獲得了兩者損傷情況，比較了兩者的各自能量吸收。其評(píng)估方法主要從能量轉(zhuǎn)化來(lái)研究撞深曲線的變化特征，并未使用局部評(píng)估準(zhǔn)則和進(jìn)行其他工況下的模擬。郝二通［2］利用有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行船舶與單樁基礎(chǔ)碰撞研究，從能量轉(zhuǎn)化、最大碰撞力、基礎(chǔ)損傷狀態(tài)和風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行了探討。首先介紹了碰撞能量轉(zhuǎn)化形式，進(jìn)而研究不同噸位、不同速度、不同角度對(duì)碰撞結(jié)果的影響，得出相應(yīng)的結(jié)論。其次使用面積受損率來(lái)反映單樁基礎(chǔ)的受損程度并應(yīng)用計(jì)算受損區(qū)域和受損面積。Minorsky［3］于1959年提出了米諾斯基關(guān)系曲線，根據(jù)能量守恒原理，給出鋼材體積變形與碰撞沖擊能之間的關(guān)系。Tabri等［4］將船舶運(yùn)動(dòng)方程對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，提出一種用于模擬非對(duì)稱船舶碰撞的計(jì)算模型，建立了碰撞力與碰撞位置、碰撞角度之間的關(guān)系。

針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷及剩余強(qiáng)度的研究，多采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析。唐友剛等［5］采用非線性有限元方法，考慮平臺(tái)環(huán)境荷載及樁土作用，采用逐步加載的方式，演示了南海某導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的失效倒塌過(guò)程，計(jì)算了結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。王巍巍等［6］采用SACS有限元分析軟件中的倒塌分析模塊，計(jì)算了導(dǎo)管架平臺(tái)的極限承載力，提出了該模塊下基本分析參數(shù)的設(shè)定方法。Li等［7］利用非線性有限元分析軟件LS-DYNA，研究了損傷圓管剩余極限強(qiáng)度與側(cè)向沖擊能量耗散之間的關(guān)系，分析了管長(zhǎng)、管徑、管壁厚度及沖擊能等參數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度的影響。

本文以南海某海上風(fēng)電場(chǎng)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為例，建立有限元數(shù)值模型，考慮該海域船舶運(yùn)行的實(shí)際情況，數(shù)值模擬船舶質(zhì)量、初速度、碰撞角度等不同組合情況下，導(dǎo)管架基礎(chǔ)的船撞損傷過(guò)程，闡明最大碰撞力與各撞擊因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，評(píng)估導(dǎo)管架船撞后的剩余強(qiáng)度。本文研究可以為實(shí)際工程中快速評(píng)估相關(guān)結(jié)構(gòu)的船撞損傷提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)模型和材料參數(shù)模型

1.1 導(dǎo)管架與船舶有限元模型

本研究采用單機(jī)容量為4 MW的南海某海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管架有限元模型見(jiàn)圖1，導(dǎo)管架整體各段的幾何參數(shù)在表1中列出。

圖1 導(dǎo)管架有限元模型圖Fig.1 Finite element model diagram of the jacket

表1 導(dǎo)管架各部分尺寸統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of the size of each part of the jacket mm

根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范（DNVGL-OS-A101）規(guī)定［8］，采用典型船只計(jì)算碰撞能量時(shí)，船艏撞擊動(dòng)能不得小于11 MJ，船舶碰撞能量計(jì)算公式如下：

式中：M是船舶滿載質(zhì)量（t）；m是船舶附加質(zhì)量（t）；v是碰撞速度（m/s）。對(duì)于單機(jī)容量6 MW的風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)合南海海域過(guò)往船只情況，并考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凹陷損傷，在分析船體結(jié)構(gòu)彈塑性材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部分布特征的基礎(chǔ)上，選用一艘滿載質(zhì)量為3 000 t的散貨船，該散貨船的具體尺寸見(jiàn)表2。

表2 船舶尺寸統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of ship dimensions m

在工程領(lǐng)域常見(jiàn)的船舶碰撞問(wèn)題中，碰撞損傷部位多為船艏，為提高計(jì)算效率，簡(jiǎn)化船體模型，采用飛剪型船艏型式，單元類型為殼單元（S4R和S3R），如圖2（a）所示，采用Tie約束連接內(nèi)部板殼結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。設(shè)置船身與船尾為剛體，采用MPC約束與船艏截面連接，如圖2（c）所示。船舶整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2（d）所示。

圖2 船體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 FEM model of the ship structure

材料本構(gòu)關(guān)系采用DNVGL-RP-C208［9］規(guī)范中推薦的彈塑性硬化模型，具有線彈性和屈服平臺(tái)的冪次硬化模型參數(shù)。材料屈服滿足下式：

式中：σeq為材料的Mises等效應(yīng)力（Pa）；σf為材料的等效應(yīng)力（Pa）。材料硬化滿足Hollmon冪次硬化準(zhǔn)則，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：

式中：εp為材料的等效應(yīng)變；σyield2為硬化開(kāi)始時(shí)的應(yīng)力；εp，y2為硬化開(kāi)始時(shí)的等效塑性應(yīng)變；K和n為硬化系數(shù)，n取值為0.166。根據(jù)海上風(fēng)電場(chǎng)工程的實(shí)際情況，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)采用低碳鋼S355，船舶材料采用S235，具體的材料參數(shù)見(jiàn)表3和表4。

表3 低碳鋼S355規(guī)范中提議鋼屬性的平均參數(shù)Tab.3 Proposed average parameters of steel properties in the mild steel S355 specification

表4 低碳鋼S235規(guī)范中提議鋼屬性的平均參數(shù)Tab.4 Proposed average parameters of steel properties in the mild steel S255 specification

2 船舶碰撞海上風(fēng)電基礎(chǔ)分析

2.1 工況設(shè)置

船舶在水中的實(shí)際航行過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)特性主要表現(xiàn)為橫蕩與縱蕩，其中：船舶縱蕩對(duì)撞擊影響較大。為提高計(jì)算效率，在模擬船舶撞擊導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)時(shí)，將水對(duì)船體的作用簡(jiǎn)化為附連水的質(zhì)量，綜合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，取含附連水船舶質(zhì)量為設(shè)計(jì)船體滿載質(zhì)量的1.05倍［8］。根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)，摩擦系數(shù)取0.2［10］，接觸為硬接觸，導(dǎo)管架采用底部固支約束。數(shù)值模擬采用顯式有限元分析軟件ABAQUS/Explicit，碰撞部位選擇KK節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖1），設(shè)置船舶質(zhì)量、撞擊速度和碰撞角度不同組合的工況，如表5所示。

2.2 碰撞力分析

導(dǎo)管架遭受船舶撞擊后，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，撞擊局部出現(xiàn)不同程度的凹陷，某些薄弱部位甚至?xí)l(fā)生斷裂。在各國(guó)關(guān)于碰撞問(wèn)題的規(guī)范中，常以碰撞力的方式量化碰撞過(guò)程，本文在各國(guó)碰撞力經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，依據(jù)南海某風(fēng)電場(chǎng)導(dǎo)管架遭受碰撞的實(shí)際情況，提取不同組合工況下的碰撞力，如圖3所示。

表5 計(jì)算工況統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical table of calculation conditions

圖3（a）和（b）分別給出撞擊速度為3 m/s和4 m/s時(shí)不同質(zhì)量船舶碰撞力的曲線圖，可以看出：碰撞時(shí)間隨船舶質(zhì)量增大而增大，最大碰撞力出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)無(wú)明顯規(guī)律。圖3（c）和（d）分別給出船舶質(zhì)量為1 000 t和2 000 t時(shí)不同撞擊速度的碰撞力曲線圖，由圖可知，碰撞時(shí)間隨撞擊速度增大而增大，并且船舶質(zhì)量越大，曲線波動(dòng)越快，表現(xiàn)為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)震蕩頻率越高。圖3（e）和（f）分別是相同撞擊速度下質(zhì)量為1 000 t和2 000 t的船舶以不同角度撞擊KK節(jié)點(diǎn)的碰撞力曲線圖，發(fā)現(xiàn)船舶碰撞時(shí)間與碰撞角度無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系，同樣碰撞角度下，2 000 t船舶碰撞的撞擊力曲線波動(dòng)更快。

圖4（a）、（b）和（c）分別給出最大碰撞力與船舶質(zhì)量、撞擊速度和碰撞角度的關(guān)系曲線圖，由圖4（a）和（b）可知，最大碰撞力分別與質(zhì)量的1/2次方和撞擊速度均呈線性正相關(guān)關(guān)系，與AASHTO規(guī)范公式［11］和歐洲規(guī)范公式［12］中關(guān)于最大碰撞力與質(zhì)量和撞擊速度的關(guān)系變化趨勢(shì)一致。從圖4（c）可以看出，最大碰撞力與碰撞角度正弦值也呈線性正相關(guān)關(guān)系。

圖3 不同組合工況下碰撞力曲線圖Fig.3 Curves of collision forces under different combined working conditions

圖4 不同變量下碰撞力變化曲線Fig.4 Curves of collision forces under different variables

2.3 損傷分析

圖5 （a）給出導(dǎo)管架遭受到船舶撞擊后的Mises云圖，可以看出，最先變形部位出現(xiàn)在與船舶直接接觸的局部，即受撞擊的KK節(jié)點(diǎn)。從圖5（b）可以看出，節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)明顯的凹陷，與此同時(shí)，沿撞擊方向?qū)Ч芗軅?cè)面桁架受擠壓作用，變形效果比其他側(cè)面更為顯著。從圖5（c）可以看出，損傷導(dǎo)管架應(yīng)力較大的部位主要集中在受碰撞的管面周圍，同時(shí)其他各節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中主要發(fā)生在管節(jié)點(diǎn)接縫處，其中：沿撞擊方向?qū)Ч芗軅?cè)面桁架下部X節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變形較大，是影響整體極限承載力的關(guān)鍵部位。

以質(zhì)量為1 000 t的船舶為例，圖6給出不同撞擊速度下受撞擊KK節(jié)點(diǎn)以及導(dǎo)管架變形最大側(cè)面下部X節(jié)點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。

圖5 船舶撞擊導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)響應(yīng)Fig.5 Response of jacket structure after ship collision

圖6 不同撞擊速度下導(dǎo)管架KK節(jié)點(diǎn)與X節(jié)點(diǎn)等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Equivalent plastic strain nephogram of KK node and X node of the jacket under different impact velocities

圖6 （a）～圖6（d）分別表示不同撞擊速度下遭受撞擊KK節(jié)點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，圖6（e）～圖6（h）分別表示不同撞擊速度下變形最嚴(yán)重X節(jié)點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由KK節(jié)點(diǎn)等效塑性應(yīng)力云圖可知，撞擊速度越大，局部塑性應(yīng)變?cè)酱?，凹陷面積越大，凹坑越深。由X節(jié)點(diǎn)等效塑性應(yīng)變?cè)茍D可知，船舶撞擊速度越大，該節(jié)點(diǎn)擠壓作用越明顯，當(dāng)速度達(dá)到4 m/s時(shí)，該節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)單元失效，實(shí)際工況中表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)斷裂。

3 船撞后導(dǎo)管架風(fēng)電整體剩余強(qiáng)度分析

導(dǎo)管架遭受船舶撞擊時(shí)，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生彈性變形，船舶與結(jié)構(gòu)分離后，導(dǎo)管架彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，由于存在結(jié)構(gòu)阻尼，導(dǎo)管架運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為前后衰減震蕩。在有限元計(jì)算中，為提高計(jì)算效率，通過(guò)施加阻尼器的形式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架動(dòng)能衰減，達(dá)到自然穩(wěn)定狀態(tài)，分析結(jié)果見(jiàn)圖7。

選擇不同組合工況下動(dòng)態(tài)衰減后的損傷應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)入下一步分析中，采用準(zhǔn)靜態(tài)方法求解損傷結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。準(zhǔn)靜態(tài)方法需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)的非線性運(yùn)動(dòng)方程求解，計(jì)算公式如下：

圖7 導(dǎo)管架損傷結(jié)構(gòu)能量衰減曲線圖Fig.7 Energy attenuation curve of jacket damage structure

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；{u¨}為加速度矩陣；{P}為荷載矩陣；{I}為內(nèi)力矩陣。圖8給出擬合極限強(qiáng)度曲線，曲線圖的橫縱坐標(biāo)比例為22.5 MN/m，當(dāng)曲線圖相鄰兩點(diǎn)連線與力軸夾角達(dá)到70°時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)強(qiáng)度值為結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。

由表6可知，相同撞擊速度下，導(dǎo)管架剩余強(qiáng)度隨船舶質(zhì)量的增大而降低；相同船舶質(zhì)量下，導(dǎo)管架剩余強(qiáng)度隨撞擊速度增大而降低；相同初始動(dòng)能下，船舶質(zhì)量和速度組合工況不同時(shí)，導(dǎo)管架剩余強(qiáng)度存在較小的差距。當(dāng)船舶動(dòng)能相同，碰撞角度分別為50°、60°和70°時(shí)。損傷導(dǎo)管架的剩余強(qiáng)度基本一致；與正向撞擊相比，導(dǎo)管架剩余強(qiáng)度在非正向撞擊情況下降幅較大。

圖8 不同質(zhì)量船舶以4 m/s速度撞擊導(dǎo)管架剩余強(qiáng)度曲線圖Fig.8 Remaining strength curve of jacket when ships of different masses impact at 4 m/s

表6 不同損傷狀態(tài)導(dǎo)管架剩余強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表（v表示船舶撞擊速度，m表示船舶質(zhì)量，α表示碰撞角度）Tab.6 Statistical table of jacket residual strength in different damage states（v represents ship impact speed，m represents ship mass，αrepresents the impact angle）

4 結(jié) 論

本文以南海某海上風(fēng)電場(chǎng)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為例，基于ABAQUS有限元數(shù)值計(jì)算方法，模擬了船舶質(zhì)量、初速度、碰撞角度等不同組合情況下導(dǎo)管架基礎(chǔ)的船撞損傷過(guò)程，分析了導(dǎo)管架損傷狀態(tài)，評(píng)估了導(dǎo)管架船撞后損傷結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度，得出如下研究結(jié)論：

1）船撞時(shí)間隨船舶質(zhì)量或撞擊速度的增大而增大，導(dǎo)管架受撞擊部位出現(xiàn)較大斷裂損傷之前，最大撞擊力與船舶質(zhì)量的1/2次方、船舶初速度以及碰撞角度的正弦值均呈線性正相關(guān)關(guān)系。

2）導(dǎo)管架遭受到船舶撞擊后，沿撞擊方向側(cè)面桁架變形最為明顯，該側(cè)面桁架下部X節(jié)點(diǎn)最先出現(xiàn)斷裂損傷，進(jìn)一步影響了整體結(jié)構(gòu)的極限承載力。

3）損傷結(jié)構(gòu)承載力隨船舶質(zhì)量或撞擊速度的增大而降低，與撞擊角度不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。