魯宇帆　吳家鳴　廖華　盧立樺

摘 要：本文利用結(jié)構(gòu)有限元軟件，分析平臺(tái)供應(yīng)船與平臺(tái)樁柱的碰撞所引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，觀察平臺(tái)供應(yīng)船在不同裝載情況下碰撞樁柱時(shí)船體動(dòng)能與船體內(nèi)能轉(zhuǎn)化關(guān)系，以及碰撞過(guò)程中碰撞力隨時(shí)間的變化。計(jì)算結(jié)果表明：隨著供應(yīng)船排水量的增加，碰撞過(guò)程中船體所吸收的動(dòng)能也隨之增加，排水量的改變將導(dǎo)致船體所受到的最大碰撞力和碰撞過(guò)程的時(shí)間發(fā)生變化，排水量越大，船體所受的碰撞力也越大，發(fā)生碰撞的時(shí)間也越長(zhǎng)，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性也在增加。

關(guān)鍵詞：平臺(tái)供應(yīng)船；碰撞；船體損傷

中圖分類號(hào)：U661.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper analyzes the structural dynamic responses in collision model of PSV-offshore platform pile by using finite element method， Studies the ship`s conversion relation of kinetic energy and internal energy as the collision force changes under all load conditions of the ship. The calculation results show that with the increase of displacement， the kinetic energy of hull absorbed increases； the change of displacement changes maximum collision force and collision time， the maximum collision force is improved and collision time is extended because of the increased displacement and it could increase the possibility of the hull structural destruction.

Key words： AHTS； Collision； Structural damage

1 引言

隨著對(duì)海洋油氣資源開采的日益增多，海洋工程船舶的碰撞問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。平臺(tái)供應(yīng)船在靠泊海洋平臺(tái)的作業(yè)過(guò)程中，由于受到風(fēng)、浪、流等復(fù)雜海況及人為因素等方面的影響，極易發(fā)生碰撞的問(wèn)題。船與海洋平臺(tái)的碰撞發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，這期間船體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能以及塑性能等，若碰撞能量超出結(jié)構(gòu)的彈性階段而進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，就有可能引起船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)撕裂、屈曲等各種形式的破壞或失效，因此對(duì)平臺(tái)供應(yīng)船與平臺(tái)樁柱碰撞下船體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，對(duì)于判斷船舶結(jié)構(gòu)是否安全具有重要的意義。

對(duì)于船舶碰撞問(wèn)題，傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法[1-2] 、經(jīng)驗(yàn)方法[3]和試驗(yàn)方法[4]，這些方法具有各自的應(yīng)用對(duì)象與適用范圍。隨著計(jì)算機(jī)硬件與非線性有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元法[5-6]逐漸成為研究碰撞問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)快捷、有效的方法。

本文采用顯式非線性結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿Ψ治龀绦騆S-DYNA，分析平臺(tái)供應(yīng)船在不同裝載情況下，以船中部位側(cè)向撞擊海洋平臺(tái)樁柱時(shí)船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的動(dòng)能-內(nèi)能轉(zhuǎn)化情況及碰撞力變化特性，以此觀察平臺(tái)供應(yīng)船碰撞時(shí)的結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)。

2 有限元模型

根據(jù)船舶碰撞的局部損傷特性，本文僅建立了船體碰撞區(qū)域內(nèi)模型。在碰撞區(qū)內(nèi)按照實(shí)船結(jié)構(gòu)的布局、板厚、骨架的信息建立了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，船體其它未建模型的質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)形式加載在相應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)上。為了觀察船體在碰撞過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體的變形過(guò)程，所有的結(jié)構(gòu)都采用shell 163，將碰撞區(qū)域模型整體劃分網(wǎng)格后，為保證碰撞接觸面區(qū)域計(jì)算結(jié)果精確，對(duì)船體與平臺(tái)接觸面處網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。為確保船體與平臺(tái)樁柱碰撞時(shí)碰撞力在碰撞體之間合理的傳遞，因此船體與樁柱之間采用主從面接觸法。平臺(tái)樁柱模型采用等效樁法來(lái)體現(xiàn)平臺(tái)樁土的作用，根據(jù)《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》的規(guī)定確定等效樁柱的長(zhǎng)度，下端剛性固定、樁柱直徑為1.6 m、樁柱采用彈塑性材料。計(jì)算中平臺(tái)供應(yīng)船的主要參數(shù)如表1所示，有限元計(jì)算模型見圖1。

在船舶與海洋平臺(tái)的碰撞過(guò)程中，材料對(duì)整船的耐撞性起到很大的作用，在碰撞時(shí)舷側(cè)碰撞區(qū)的板材將發(fā)生極大的變形，這種材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與LS-DYNA材料庫(kù)中的Cowper-Symonds模型符合。因此，在計(jì)算中設(shè)定船體碰撞區(qū)和平臺(tái)樁柱材料模型為Cowper-Symonds，楊氏模量E=2.1×1011 N/m2、密度為ρ=7 850 kg/m3、泊松比λ=0.3、屈服應(yīng)力σ0=2.35×108 N/m2、硬化模量Es=1.18×109 N/m2、應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)C=40.4、P=5，碰撞考慮了碰撞體之間的摩擦對(duì)于碰撞數(shù)據(jù)的影響。

3 計(jì)算工況

平臺(tái)供應(yīng)船與平臺(tái)樁柱碰撞時(shí)，周圍流體因吸收了大量的碰撞能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)規(guī)律急劇變化，船體周圍的流體對(duì)船體橫向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的影響。本文采用附加質(zhì)量法來(lái)體現(xiàn)附連水對(duì)碰撞的影響，基于Minorsky[8]對(duì)碰撞試驗(yàn)的結(jié)果，假定橫漂運(yùn)動(dòng)的船體附加水質(zhì)量為船體總重量的0.4，船體碰撞速度為設(shè)計(jì)航速11.5 kn。計(jì)算工況見表2。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

平臺(tái)供應(yīng)船與平臺(tái)樁柱碰撞過(guò)程中，船體結(jié)構(gòu)以拉伸、褶皺、壓潰等塑性變形形式吸收了船體大部分的動(dòng)能，船體動(dòng)能越大，船體結(jié)構(gòu)吸收的能量就越大，結(jié)構(gòu)破損就越嚴(yán)重。圖2給出了平臺(tái)供應(yīng)船碰撞結(jié)束后三種不同排水量下船體塑性變形圖。

從圖2可以看出，船體在碰撞點(diǎn)附近的船體結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，遠(yuǎn)離碰撞點(diǎn)的船體結(jié)構(gòu)基本沒有受到碰撞作用的影響。船體結(jié)構(gòu)受損的主要形式為舷側(cè)外板的拉伸，以及甲板板、橫艙壁及內(nèi)底板的褶皺、壓潰等。船體在空載時(shí)，船體結(jié)構(gòu)受損較小，舷側(cè)外板僅在與橫艙壁相交處有較小的撕裂，甲板等結(jié)構(gòu)也存在較小的擠壓變形；隨著船體排水量的增加，船體舷側(cè)外板撕裂明顯，且甲板等結(jié)構(gòu)受擠壓、壓潰現(xiàn)象明顯，船體結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的破壞。

圖3為船體結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程中的船體整體能量時(shí)序圖；表3列出為碰撞前的船舶動(dòng)能、碰撞后的剩余動(dòng)能和船體內(nèi)能。

由圖3可知：船體動(dòng)能在碰撞過(guò)程中始終大于零，這是因?yàn)榇w碰撞點(diǎn)與船體重心的縱向坐標(biāo)不重合，碰撞過(guò)程中，即使碰撞線速度為零船體仍具有繞平臺(tái)樁柱的角速度，其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能不為零；在不同裝載條件下，發(fā)生碰撞后船體的剩余動(dòng)能與船舶排水量存在正相關(guān)的關(guān)系，排水量越大，其剩余動(dòng)能也越大；碰撞發(fā)生后船體內(nèi)能的增加也與船體質(zhì)量成接近于正比例關(guān)系；當(dāng)船體處于空載和適量裝載兩種工況時(shí)，船舶內(nèi)能的變化規(guī)律基本相同，都是單一的線性變化過(guò)程；而對(duì)于滿載碰撞工況，內(nèi)能在上升過(guò)程中增加速率有變化，碰撞的初始時(shí)刻內(nèi)能增加較快，當(dāng)內(nèi)能增加到8 MJ時(shí)增速減慢，說(shuō)明船體結(jié)構(gòu)在此轉(zhuǎn)折點(diǎn)處有明顯的結(jié)構(gòu)大量破壞，因此船體在初步設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將載重噸數(shù)降低以減小船舶與海洋平臺(tái)碰撞帶來(lái)的船體結(jié)構(gòu)受損。

由表3還可知：碰撞前的船舶動(dòng)能、碰撞后的剩余動(dòng)能和船體內(nèi)能，均與平臺(tái)供應(yīng)船的裝載狀態(tài)相關(guān)，排水量越大，碰撞前船體的初始動(dòng)能、碰撞后船體內(nèi)能也越大；不同裝載量的平臺(tái)供應(yīng)船碰撞發(fā)生后所造成的船體剩余動(dòng)能差異不大；然而不同裝載量的平臺(tái)供應(yīng)船在碰撞發(fā)生后，所造成的船體內(nèi)能卻有較大的差別，船舶的裝載量越大，碰撞后船體內(nèi)能也越大，這也意味著對(duì)于相同的碰撞速度，船舶的裝載量越大，越容易造成船體結(jié)構(gòu)的破壞。

圖4給出了船體結(jié)構(gòu)所受到的碰撞力時(shí)序圖。從圖4可以看出，隨著碰撞載荷質(zhì)量（船舶排水量）的增加，船體所受的最大碰撞力隨之增加，碰撞作用的時(shí)間也有所增加。在三種不同裝載工況下，碰撞力曲線在增長(zhǎng)階段重合，這說(shuō)明在碰撞的初始階段，船體結(jié)構(gòu)的破壞變形形式相類似，主要為舷側(cè)外板的拉伸、甲板等結(jié)構(gòu)褶皺等方式吸收船體的動(dòng)能；但碰撞力曲線在下降階段的形態(tài)存在明顯差異，裝載量越大，碰撞力時(shí)序變化曲線振蕩越明顯。這表明，隨著裝載量的增加，船體結(jié)構(gòu)受損也越嚴(yán)重。碰撞力時(shí)序變化曲線的每一次振蕩，就意味著船體某一結(jié)構(gòu)的破壞失效。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同裝載條件下平臺(tái)供應(yīng)船與樁柱結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題的仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）碰撞對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的影響主要集中在結(jié)構(gòu)的碰撞區(qū)內(nèi)，碰撞持續(xù)的時(shí)間極短，在碰撞時(shí)間內(nèi)船體內(nèi)能快速增加，在碰撞嚴(yán)重時(shí)，發(fā)生碰撞區(qū)結(jié)構(gòu)的撕裂、褶皺、壓潰等結(jié)構(gòu)失效行為。

（2）對(duì)于大裝載量的碰撞工況，其碰撞過(guò)程的能量時(shí)序圖和碰撞力時(shí)序圖中，曲線在上升和下降過(guò)程中可以觀察到顯著的震蕩現(xiàn)象，每一次震蕩就意味著船體某一結(jié)構(gòu)的破壞失效。

（3）船體碰撞前的船舶動(dòng)能，以及碰撞后船體結(jié)構(gòu)的剩余動(dòng)能和船體內(nèi)能均，與平臺(tái)供應(yīng)船的裝載狀態(tài)相關(guān)，排水量越大，碰撞前船體的初始動(dòng)能、碰撞后船體內(nèi)能也越大，這也意味著船體結(jié)構(gòu)更容易受到破壞。

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