梁恩強， 劉 昆， 包 杰， 王自力

(江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

板-梁耦合技術(shù)在自升式海洋平臺碰撞分析中的應(yīng)用研究

梁恩強， 劉 昆， 包 杰， 王自力

(江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

該文基于非線性有限元軟件ABAQUS，針對自升式海洋平臺結(jié)構(gòu)特點，提出了“板-梁”耦合技術(shù)，用以簡化建立自升式海洋平臺的結(jié)構(gòu)模型。以平臺典型的單K和雙K節(jié)點為研究對象，基于“板-梁”耦合模型及板殼模型分析了其碰撞性能，同時比較驗證了“板-梁”耦合技術(shù)的可靠性。研究結(jié)果表明，“板-梁”耦合模型在碰撞沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)損傷變形、碰撞力和能量吸收等動態(tài)響應(yīng)與板殼模型結(jié)果一致性較好。該文研究成果可以為大型平臺結(jié)構(gòu)整體碰撞性能分析提供技術(shù)支撐。

自升式海洋平臺；典型節(jié)點；“板-梁”耦合；碰撞性能；數(shù)值仿真

0 引言

隨著世界各國對海洋資源開發(fā)的不斷重視，海洋平臺的數(shù)量持續(xù)增加，同時，海上運輸業(yè)的高速發(fā)展使得船舶與海洋平臺碰撞的事故越發(fā)頻繁。以挪威大陸架為例，1982年～2010年間，共發(fā)生了115起船舶與海洋平臺的碰撞事故[1]，造成了嚴重的環(huán)境污染，甚至人員傷亡。這些事故說明，在海洋平臺的設(shè)計研發(fā)過程中應(yīng)該考慮船舶撞擊等意外載荷的影響。同時，為了降低碰撞事故對人員及海洋環(huán)境的危害，開展海洋平臺碰撞性能的研究，揭示平臺結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的損傷變形機理，對更好的開展平臺耐撞結(jié)構(gòu)設(shè)計有重要的現(xiàn)實意義。

隨著非線性有限元技術(shù)的發(fā)展和計算機硬件水平的提高，數(shù)值仿真已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究船舶與海洋工程碰撞問題的主要方法。楊亮[2]基于有限元軟件ANSYS建立了整體全殼導(dǎo)管架平臺，對商船與固定導(dǎo)管架平臺的碰撞過程進行仿真；孫勇敢[3]基于有限元軟件ANSYS建立了全殼半潛平臺模型，分析了平臺受到大型商船撞擊的動態(tài)響應(yīng)；Martin Storheim等[4]利用有限元軟件LS.DYNA開展了船舶與完整的全殼小規(guī)模平臺的碰撞數(shù)值仿真，研究平臺的耐撞性能；Joao Travanca等[5]基于有限元軟件Patran建立了多種小規(guī)模全殼平臺，預(yù)測了平臺受到典型補給船高速撞擊的動態(tài)響應(yīng)。在研究小規(guī)模平臺碰撞問題時，建立完整的全殼平臺模型是可行的，但是在研究大型平臺的碰撞響應(yīng)時，由于其結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，建立完整的全殼模型，不僅給建模帶來困難，而且在計算精度上也無優(yōu)勢，因此，平臺碰撞模型的合理簡化成為高效、真實開展數(shù)值仿真的關(guān)鍵。該文以一自升式海洋平臺為研究對象，針對其結(jié)構(gòu)特點提出“板-梁”耦合建模技術(shù)，分析其遭遇3 000 t補給船撞擊下的動態(tài)響應(yīng)，通過與全殼模型計算結(jié)果的比較，驗證“板-梁”耦合技術(shù)的可靠性。

1 “板-梁”耦合技術(shù)

“板-梁”耦合技術(shù)是在有限元建模過程中，將板殼單元與梁單元通過多點耦合約束連接在一起，相互作用，相互影響。由于自升式海洋平臺結(jié)構(gòu)龐大，進行全殼模型的建立并開展碰撞仿真將耗費大量計算資源，且由于碰撞具有明顯的局部性特點[6]，也沒有必要建立全殼模型，合理地簡化模型可以高效、準(zhǔn)確地開展碰撞仿真分析。該文針對船舶-平臺碰撞問題，根據(jù)自升式平臺結(jié)構(gòu)特點，提出了“板-梁”耦合的平臺建模技術(shù)，即僅在碰撞區(qū)域內(nèi)的弦桿和撐桿結(jié)構(gòu)采用板殼單元，碰撞區(qū)域以外的結(jié)構(gòu)采用梁單元來模擬，梁元與板殼元通過多點耦合約束連接在一起。

2 碰撞有限元模型

2.1 自升式海洋平臺簡介

計算選用某三樁腿桁架式自升式鉆井平臺，如圖1所示，其最大工作水深120 m，最大鉆井深度1 200 m，樁腿高167 m，弦桿中心距離13.1 m，樁腿節(jié)距8.5 m。

2.2 幾何模型

以自升式海洋平臺樁腿碰撞區(qū)域典型節(jié)點為對象，進行數(shù)值仿真研究。樁腿節(jié)點構(gòu)件尺寸見表1，圖2為碰撞區(qū)整體的“板-梁”耦合結(jié)構(gòu)，圖3為平臺典型節(jié)點形式及幾何尺寸。

樁腿構(gòu)件外徑(mm)厚度(mm)斜撐245.019.0水平撐273.025.5弦管500.080.0

圖3 典型節(jié)點示意圖及尺寸參數(shù)

2.3 有限元模型

根據(jù)圖3所確定的兩種平臺典型節(jié)點，分別采用“板-梁”耦合技術(shù)和全殼單元建立有限元模型，如圖4、圖5所示。其中，“板-梁”耦合模型弦管在中部碰撞區(qū)域5 m(弦桿總長8.5 m)范圍內(nèi)采用殼單元，斜撐在與弦管連接的一半長度(3.8 m)范圍采用殼單元，其余區(qū)域采用梁單元模擬，殼單元與梁單元直接通過建立耦合點進行連接。管節(jié)點端部(弦桿和斜撐)剛性固定，撞擊船選取某3 000 t補給船。為了簡化問題，將其視為一直徑為2 m的剛性球，以2 m/s的初速度水平撞擊。管節(jié)點采用彈塑性材料，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為2.35×108N/m3，最大塑性失效應(yīng)變?nèi)?.3[5]。由于平臺用低碳鋼的塑性性能對應(yīng)變率是高度敏感的[8]，因此在材料模型中選用考慮應(yīng)變率敏感性影響的Cowper-Symonds本構(gòu)方程，其參數(shù)和分別取40.4和5[9,10]。

圖4 單K節(jié)點碰撞有限元模型

圖5 雙K節(jié)點碰撞有限元模型

3 結(jié)果對比分析

將以上模型提交計算，得到自升式海洋平臺節(jié)點的動態(tài)響應(yīng)過程，從損傷變形、能量吸收和碰撞力三個方面分析平臺的碰撞性能并通過對比分析，驗證“板-梁”耦合技術(shù)的合理性。

3.1 損傷變形

圖6、圖7分別給出了自升式海洋平臺典型節(jié)點在兩種不同建模方案下的損傷變形情況。從圖中可以看出：兩典型節(jié)點在不同建模方式下，結(jié)構(gòu)損傷變形情況基本一致，弦桿和斜撐均發(fā)生了較為明顯的彎曲變形，在碰撞接觸區(qū)域發(fā)生較大的塑性變形，且最大應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變均出現(xiàn)在斜撐與弦管連接的位置。單K節(jié)點弦桿和斜撐的彎曲變形比雙K節(jié)點嚴重，這是由于雙K節(jié)點斜撐數(shù)量多，使得其抵抗變形的能力較強。通過分析比較可以發(fā)現(xiàn)，采用“板-梁”耦合技術(shù)建立的平臺典型節(jié)點簡化模型與全殼模型在碰撞載荷作用下的損傷變形情況具有較好的一致性。

圖6 單K節(jié)點損傷變形情況

圖7 雙K節(jié)點損傷變形情況

3.2 能量吸收

圖8、圖9給出兩種不同建模方式下單K型及雙K型平臺節(jié)點能量轉(zhuǎn)化及吸收情況。從圖中可以看出，不同建模方式下兩節(jié)點對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化曲線趨勢基本一致，撞擊動能大部分轉(zhuǎn)化為節(jié)點結(jié)構(gòu)的塑性變形能，且弦桿為主要的吸能構(gòu)件。表2為不同建模方式計算得到的吸能結(jié)果，比較兩節(jié)點的吸能情況可以發(fā)現(xiàn)，單K節(jié)點總的吸能略高于雙K節(jié)點，這是由其損失變形程度所決定的，但是，雙K節(jié)點斜撐吸能所占的比重高于單K節(jié)點。此外，“板-梁”耦合模型總的吸能略高于其所對應(yīng)的全殼模型，但是最多也僅高出1%左右，這仍然充分說明了采用“板-梁”耦合技術(shù)建立的平臺典型節(jié)點簡化模型與全殼模型在碰撞載荷作用下的能量吸收情況基本一致。

圖8 單K節(jié)點能量吸收情況

圖9 雙K節(jié)點能量吸收情況

模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件吸能比例總吸能單K節(jié)點模型板殼模型“板梁”耦合模型弦桿4.426MJ78.1%斜撐1.238MJ21.9%弦桿4.625MJ80.8%斜撐1.100MJ19.2%5.664MJ5.725MJ雙K節(jié)點模型板殼模型“板梁”耦合模型弦桿3.975MJ70.5%斜撐1.663MJ29.5%弦桿3.950MJ69.4%斜撐1.742MJ30.6%5.638MJ5.692MJ

3.3 碰撞力

碰撞力是碰撞過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生大位移、大變形的原因，通過碰撞力時程曲線可以清楚了解碰撞進行的過程。圖10、圖11分別給出了單K節(jié)點和雙K節(jié)點的碰撞力-撞深曲線。從圖中可以看出， 碰撞力曲線具有較強的非線性特點，雙K節(jié)點的碰撞力震蕩更為明顯。另外，雙K節(jié)點的第一個碰撞力峰值較單K節(jié)點要高且出現(xiàn)時間略晚，這主要是由于其有四根斜撐支撐，其相應(yīng)承載能力及加載時間較兩根斜撐的單K節(jié)點要高。在第一個峰值之后，碰撞力出現(xiàn)一定卸載后又呈現(xiàn)上升趨勢，直至碰撞結(jié)束。通過觀察對應(yīng)時刻的損傷變形情況可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)屈服小幅卸載之后，碰撞接觸區(qū)域逐漸增加，響應(yīng)結(jié)構(gòu)也逐漸開始由彈性變形向塑性變形過渡，隨著接觸面積的逐漸增大，碰撞力也隨之增加。在碰撞結(jié)束時，撞擊動能基本耗盡，碰撞力迅速下降，被撞結(jié)構(gòu)凹陷變形的線性彈性部分逐漸恢復(fù)。此外，分別對應(yīng)比較兩種不同建模方式下的碰撞力曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同建模方式對于兩種結(jié)構(gòu)的碰撞力影響不大，“板-梁”耦合模型的碰撞力稍滯后于全殼模型。

圖10 單K節(jié)點碰撞力-撞深曲線 圖11 雙K節(jié)點碰撞力-撞深曲線

4 結(jié)論

(1) “板-梁”耦合模型在碰撞載荷下的損傷變形、碰撞力和能量吸收等均與板殼模型結(jié)果具有較高的一致性，且減少了建模及計算工作量，適用于海洋平臺結(jié)構(gòu)的碰撞仿真分析。

(2) 兩典型平臺節(jié)點結(jié)構(gòu)在碰撞載荷作用下，弦管變形以彎曲為主而斜撐以失穩(wěn)為主，雙K節(jié)點抵抗變形的能力較單K節(jié)點強，但兩節(jié)總的塑形變能相當(dāng)，且弦桿吸收了較多的能量。

[ 1 ] Arne K. Collisions between platforms and ships in Norway in the period 2001-2010[C]. OMAE,2010.

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The Application of Plate-beam Coupling Technology in Offshore Jack-up Platform Collision Analysis

LIANG En-qiang, LIU Kun, BAO Jie, WANG Zi-li

(Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China)

The "plate-beam" coupling technology is proposed based on the nonlinear finite element software ABAQUS for building the structural model of Jack-up platform. The collision performance between the shell models and the "plate-beam" coupling models are compared， and the results indicate that the damage deformation, impact force and energy absorption of the "plate-beam" coupling model are in good agreement with the shell model. The results can provide technical support for the analysis of large-scale platform collisions.

jack-up offshore platform; typical joint; plate-beam coupling technology; collision performance; numerical simulation

2015-03-19

國家自然科學(xué)基金(51379093)。

梁恩強(1989-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2015)05-0028-07

P75

A