供應(yīng)船與半潛式支持平臺(tái)碰撞的數(shù)值仿真分析

郭君1，康有為，李磊

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中集海洋工程有限公司，廣東 深圳 518000)

供應(yīng)船舶與半潛式支持平臺(tái)的碰撞過(guò)程中涉及船舶和平臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和外部流場(chǎng)的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，是一個(gè)復(fù)雜耦合過(guò)程，因此，在進(jìn)行類(lèi)似碰撞問(wèn)題的計(jì)算時(shí)，往往基于研究的重點(diǎn)問(wèn)題(外部動(dòng)力學(xué)和內(nèi)部動(dòng)力學(xué)問(wèn)題)，對(duì)其他方面進(jìn)行必要的等效簡(jiǎn)化。一個(gè)方向是研究隨機(jī)波浪下的船舶和平臺(tái)碰撞的外部動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，采用的方法是基于LS-DYNA計(jì)算出碰撞力，然后將碰撞力作為和波浪載荷類(lèi)似的外載荷來(lái)進(jìn)行平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算[1-2]。嚴(yán)格來(lái)看，這其實(shí)是一種解耦的方法，并未真正實(shí)現(xiàn)碰撞過(guò)程中的流固耦合。另外一類(lèi)研究碰撞過(guò)程的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)特征，研究這類(lèi)問(wèn)題往往對(duì)外部動(dòng)力學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[3-5]。本文將采用附加質(zhì)量的方式來(lái)模擬外部流體在碰撞過(guò)程中的作用。以供應(yīng)船舶與半潛式支持平臺(tái)碰撞的典型工況內(nèi)部動(dòng)力學(xué)為研究重點(diǎn)，選擇合適的附加質(zhì)量系數(shù)、材料參數(shù)及網(wǎng)格密度并基于LS-DYNA軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，研究?jī)烧咴诓煌鲎参恢煤筒煌鲎菜俣鹊墓r下的碰撞力，結(jié)構(gòu)破環(huán)情況以及能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 供應(yīng)船與半潛支持平臺(tái)模型

1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及狀態(tài)

本文所選取的半潛式支持平臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 半潛式支持平臺(tái)主要參數(shù)

選取典型的碰撞船舶排水量5 000 t[6]，對(duì)供應(yīng)船的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理，僅建立船殼和主要艙段模型。供應(yīng)船的尺度見(jiàn)表2。

表2 供應(yīng)船舶主要尺度

碰撞過(guò)程持續(xù)時(shí)間一般在2 s以?xún)?nèi)，而半潛式支持平臺(tái)的平面運(yùn)動(dòng)的固有周期均在20 s以上。因此在分析中對(duì)支持平臺(tái)的邊界條件不作限制，使其處于自由漂浮狀態(tài)。

1.2 附加質(zhì)量系數(shù)

由于碰撞持續(xù)時(shí)間極短，周?chē)黧w在短時(shí)間內(nèi)將起到阻礙運(yùn)動(dòng)的作用，撞擊瞬間周?chē)黧w相當(dāng)于增加了船和平臺(tái)的慣性作用。采用附加質(zhì)量考慮水對(duì)海洋平臺(tái)與船舶的影響。DNV-RP-C204[6]及中國(guó)船級(jí)社的《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范(2014)》[7]認(rèn)為，浮式裝置的碰撞載荷主要由供應(yīng)船的動(dòng)能決定，重點(diǎn)給出了供應(yīng)船的縱向附件質(zhì)量為10%排水量、橫向附加質(zhì)量為0.4倍排水量。有學(xué)者給出了半潛式海洋平臺(tái)在碰撞中的附加質(zhì)量系數(shù)[8]。本文選取的附加質(zhì)量系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 船和平臺(tái)的附加質(zhì)量系數(shù)

1.3 材料參數(shù)

供應(yīng)船和支持平臺(tái)碰撞中，重點(diǎn)考慮支持平臺(tái)，對(duì)供應(yīng)船采取比較保守的處理方法，將船體材料視為線彈性Linear-Isotropic。

意外發(fā)生的碰撞將會(huì)在很短的時(shí)間(一般在2 s內(nèi))產(chǎn)生巨大沖擊載荷，承受該載荷的被撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)材料會(huì)在極短的時(shí)間從彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)壓潰、褶皺穿透和斷裂等失效形式。半潛支持平臺(tái)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)見(jiàn)表4。通用有限元軟件DYNA提供了Cowper- Symonds模型中屈服應(yīng)力和應(yīng)變率的關(guān)系：

表4 彈塑性材料參數(shù)

材料失效應(yīng)變的確定見(jiàn)圖1[9]，即根據(jù)船-平臺(tái)網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域單元尺寸確定對(duì)應(yīng)的失效應(yīng)變值。

圖1 失效應(yīng)變與單元平均尺寸關(guān)系

在本文計(jì)算中將碰撞區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化為30 mm，因此選擇失效應(yīng)變值為0.136。

2015年4月2日，財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部公示了2015年海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市名單，池州市名列其中。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用。

1.4 有限元模型

碰撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸與板厚的比值在2～20之間結(jié)果可靠[10]。在保證計(jì)算精度的前提下為提高計(jì)算速度，船和平臺(tái)的非撞擊區(qū)域采用1 m為單位的較大的網(wǎng)格尺寸，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。供應(yīng)船有限元模型見(jiàn)圖2。半潛式支持平臺(tái)模型見(jiàn)圖3。

圖2 供應(yīng)船有限元模型

圖3 支持平臺(tái)有限元模型

供應(yīng)船撞擊平臺(tái)存在艏部撞擊、船艉撞擊和側(cè)面撞擊，根據(jù)DNV-RP-C204推薦[6]，船艉撞擊的可能性占到70%，側(cè)面撞擊的可能性占到20%。因此本文選擇供應(yīng)船尾部撞擊半潛式支持平臺(tái)作為研究工況。

2 仿真結(jié)果分析

供應(yīng)船從X方向和Y方向撞擊支持平臺(tái)的C柱見(jiàn)圖4。供應(yīng)船撞擊平臺(tái)C柱垂向不同位置見(jiàn)圖5。碰撞的工況見(jiàn)表5。

圖4 供應(yīng)船與支持平臺(tái)碰撞坐標(biāo)系

圖5 供應(yīng)船艉部撞擊支持平臺(tái)位置

2.1 典型碰撞工況特征分析

選擇工況1作為典型碰撞工況，分析碰撞過(guò)程中的載荷、結(jié)構(gòu)損傷情況和能量轉(zhuǎn)換情況。

表5 供應(yīng)船撞擊支持平臺(tái)工況

1)撞深和撞擊力分析。工況1下的撞擊力變化見(jiàn)圖6、7。數(shù)值仿真曲線中出現(xiàn)劇烈波動(dòng)是由于局部振動(dòng)引起，最小二乘法擬合曲線則代表撞擊力的變化趨勢(shì)。在撞擊初期0.2 s內(nèi)的撞擊初期內(nèi)撞擊力激增并由于局部振動(dòng)出現(xiàn)明顯的振蕩變化。隨著撞深的增加和撞擊接觸面積的擴(kuò)大，參與變形的立柱內(nèi)部的構(gòu)件越來(lái)越多，在0.4 s左右撞碰撞力達(dá)到極大值73.6 MN。撞擊深度達(dá)到最大值1.08 m后，供應(yīng)船的剩余動(dòng)能不足以抵抗平臺(tái)構(gòu)件的彈性變形，供應(yīng)船發(fā)生反向運(yùn)動(dòng)使碰撞有效接觸面積減小，導(dǎo)致碰撞力出現(xiàn)迅速下降。

圖6 碰撞力-時(shí)間

圖7 碰撞力-撞深

2)結(jié)構(gòu)損傷分析。假設(shè)供應(yīng)船的材料參數(shù)為線彈性，變形和結(jié)構(gòu)單元失效僅發(fā)生在支持平臺(tái)上。0.395 s時(shí)支持平臺(tái)的變形圖見(jiàn)圖8，由圖8可知，平臺(tái)的主要變形集中在與船尾碰撞的區(qū)域，僅發(fā)生局部變形。外板和外板上的縱骨主要發(fā)生拉伸變形出現(xiàn)撕裂破壞，水平框架、橫艙壁、垂直桁等內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、側(cè)向彎曲及褶皺，甚至還出現(xiàn)撕裂破壞。

圖8 支持平臺(tái)的損傷變形云圖(工況1)

3)能量轉(zhuǎn)化分析。工況1中碰撞系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化時(shí)歷曲線見(jiàn)圖9。

圖9 系統(tǒng)能量時(shí)歷曲線

系統(tǒng)的總能量隨著碰撞的進(jìn)行由于摩擦損失而持續(xù)變小，動(dòng)能和內(nèi)能的時(shí)歷曲線在同一時(shí)刻出現(xiàn)局部極值19.4 MJ和66.5 MJ，然后動(dòng)能和內(nèi)能出現(xiàn)反變化趨勢(shì)，這是由于平臺(tái)既有塑性吸能還有彈性吸能，彈性吸能的釋放造成了內(nèi)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。最后碰撞結(jié)束兩個(gè)碰撞體分開(kāi)，系統(tǒng)各部分能量保持不變，系統(tǒng)動(dòng)能占初始總能量的29.3%，內(nèi)能占比65.3%。

供應(yīng)船損失動(dòng)能為92.7 MJ，平臺(tái)吸收總能量為77.4 MJ，平臺(tái)吸收了供應(yīng)船動(dòng)能耗散的大部分能量。其中平臺(tái)內(nèi)能變化量為56.4 MJ，占供應(yīng)船動(dòng)能耗散的60.9%，供應(yīng)船的大部分能量耗散被平臺(tái)的結(jié)構(gòu)變形所吸收；平臺(tái)的動(dòng)能占供應(yīng)船動(dòng)能耗散的20.1%；其余為平臺(tái)的沙漏能和船與平臺(tái)間的摩擦損耗。支持平臺(tái)的沙漏能占平臺(tái)內(nèi)能的4.13%，在5%以下滿(mǎn)足沙漏能控制要求，本文非線性有限元?jiǎng)討B(tài)分析所得結(jié)果可靠的。支持平臺(tái)各部分能量及占供應(yīng)船動(dòng)能耗散的百分比匯總于表6。

表6 支持平臺(tái)各部分能量及占比

支持平臺(tái)的結(jié)構(gòu)變形主要發(fā)生在被撞擊立柱結(jié)構(gòu)上，因此,平臺(tái)由于結(jié)構(gòu)變形所吸收的內(nèi)能主要是在平臺(tái)立柱的撞擊區(qū)。為研究立柱內(nèi)部不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)在碰撞中吸能及變形特征，為平臺(tái)的抗撞性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，本文進(jìn)一步對(duì)立柱內(nèi)主要發(fā)生變形的結(jié)構(gòu)(柱外板、雙層殼、橫縱桁材和艙壁等內(nèi)結(jié)構(gòu)以及外板內(nèi)側(cè)的縱骨)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖10)，以上各部的結(jié)構(gòu)變形吸能時(shí)歷曲線見(jiàn)圖11。

圖10 平臺(tái)立柱各結(jié)構(gòu)示意

圖11 工況1中平臺(tái)立柱各結(jié)構(gòu)變形吸能時(shí)歷曲線

碰撞初始階段，立柱外板和柱內(nèi)各類(lèi)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)撞擊力，在同樣下變形的情況下，內(nèi)結(jié)構(gòu)的吸能最多。隨著碰撞的進(jìn)行內(nèi)結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞而失效，立柱外板和雙層殼承擔(dān)的撞擊越來(lái)越多，最終吸收的能量超過(guò)了其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在撞擊體分開(kāi)后各結(jié)構(gòu)均有彈性能釋放，內(nèi)能有所下降至穩(wěn)定不變。平臺(tái)立柱各類(lèi)結(jié)構(gòu)的吸能變化趨勢(shì)相同，不同的是各自的吸能比例，碰撞結(jié)束后柱外板吸收的能量占平臺(tái)總內(nèi)能比例為26.1%；內(nèi)結(jié)構(gòu)和雙層殼吸收的能量與柱外板相近，縱骨的吸能占比最少為11.1%。

2.2 立柱內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征

分析典型工況碰撞過(guò)程，發(fā)現(xiàn)圖10中平臺(tái)立柱各結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收情況各有特點(diǎn)。以工況2至工況6為例進(jìn)一步分析。

1)撞擊力和損傷對(duì)比分析。除了撞擊速度對(duì)撞擊結(jié)果影響較大外，撞擊的位置也是關(guān)鍵因素，工況2為供應(yīng)船沿著X方向碰撞在支持平臺(tái)C立柱正面，發(fā)生碰撞部位與內(nèi)結(jié)構(gòu)的水平強(qiáng)框重合；工況3為供應(yīng)船沿著X方向碰撞在支持平臺(tái)C立柱正面，發(fā)生碰撞部位為內(nèi)結(jié)構(gòu)水平強(qiáng)框之間；工況4為供應(yīng)船沿著Y方向碰撞在支持平臺(tái)C立柱側(cè)面，發(fā)生碰撞部位為內(nèi)結(jié)構(gòu)水平強(qiáng)框之間。供應(yīng)船的速度均為6 m/s。工況2、3和4碰撞區(qū)在0.26 s時(shí)的應(yīng)力變化見(jiàn)圖12。

圖12 碰撞區(qū)應(yīng)力云圖

就損傷程度來(lái)看，對(duì)比發(fā)現(xiàn)三種碰撞工況下立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)所包含的水平框架及中橫艙壁產(chǎn)生的變形基本相近，而立柱外板首次出現(xiàn)裂縫的位置均處在水平強(qiáng)框處附近。由于工況2中供應(yīng)船正對(duì)水平強(qiáng)框位置撞擊支持平臺(tái)，水平強(qiáng)框的存在增大了立柱外板局部區(qū)域的剛度，立柱外板受到更多的位移約束，無(wú)法通過(guò)大范圍的塑性變形進(jìn)行緩沖，使得變形集中在發(fā)生碰撞的局部位置，出現(xiàn)斷裂失效更早且更嚴(yán)重；而工況3的供應(yīng)船撞擊立柱水平強(qiáng)框中間，由于局部位移約束相對(duì)工況2較弱，碰撞位置的立柱外板能夠通過(guò)位移形變來(lái)緩沖撞擊，造成更大范圍的塑性變形。工況4與工況2和工況3的損傷情況相比，結(jié)構(gòu)變形較大但結(jié)構(gòu)損傷較小，外板的失效單元較少。原因是4的供應(yīng)船從Y向撞擊支持平臺(tái)，此方向立柱內(nèi)結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)框作用較少，減弱了內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)雙層殼和柱外板的約束和支撐，故在相同的碰撞條件下平臺(tái)立柱Y方向承受撞擊后的雙層殼和柱外板的可以通過(guò)位移變形來(lái)將撞擊能量分散到更大范圍的結(jié)構(gòu)中，局部的應(yīng)力集中相對(duì)減少。

就撞擊應(yīng)力來(lái)看。2、3兩種工況由于有立柱外板、內(nèi)結(jié)構(gòu)的水平強(qiáng)框的聯(lián)合抵抗作用，使得立柱被撞區(qū)域發(fā)生位移變形的約束剛度較大，從而在局部產(chǎn)生較大的碰撞力峰值；工況4的撞擊載荷主要作用在立柱外板和內(nèi)部艙壁上，碰撞區(qū)域發(fā)生位移變形的約束剛度較小，碰撞過(guò)程中碰撞力作用區(qū)域增大較快，能夠?qū)⑴鲎草d荷迅速分散到周?chē)Y(jié)構(gòu)，減緩了對(duì)碰撞局部的立柱外板直接破壞。

根據(jù)上述分析，在支持平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)防撞設(shè)計(jì)中，增加結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度并不一定會(huì)提升總體抗撞性能，反而會(huì)導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)的提前破損；而通過(guò)將內(nèi)結(jié)構(gòu)的環(huán)向強(qiáng)框等構(gòu)件布置避開(kāi)發(fā)生碰撞區(qū)域，在保證撞深滿(mǎn)足要求的前提下適當(dāng)減小碰撞區(qū)域的剛度，有利于提高抗撞性能。

2)不同結(jié)構(gòu)吸能對(duì)比分析。所有工況下，被撞平臺(tái)立柱的各類(lèi)結(jié)構(gòu)變形所吸收的能量占平臺(tái)內(nèi)能增加量的百分比見(jiàn)表7。不難發(fā)現(xiàn)撞擊速度越高，立柱外板對(duì)整體吸能貢獻(xiàn)越大，所受到的破壞程度也越高。隨著撞擊速度增加，內(nèi)結(jié)構(gòu)的吸能比重在下降，而縱骨的吸能占比變化較小在10%左右。

表7 不同工況平臺(tái)立柱的各類(lèi)結(jié)構(gòu)變形吸能結(jié)果

撞擊位置不同對(duì)各部分吸能分配影響較大，立柱水平強(qiáng)框位置的外板受到撞擊時(shí)承受的應(yīng)力更集中，失效面積較大的同時(shí)吸能比例較大；相反撞擊支持平臺(tái)水平強(qiáng)框之間，外板吸能比例較小。綜合所有工況，平臺(tái)內(nèi)能增量幾乎全部來(lái)自于平臺(tái)立柱變形所吸收的能量，平臺(tái)立柱外板和雙層殼結(jié)構(gòu)變形所吸收的能量又占總內(nèi)能50%以上。

立柱的抗撞性設(shè)計(jì)中，立柱外板和雙層殼是保障平臺(tái)穩(wěn)性的重要結(jié)構(gòu)，兩者又是通過(guò)變形吸收碰撞能量的主要結(jié)構(gòu)。在2 m/s的典型碰撞速度可能性較大情況下，雙層殼為主要吸收能量的結(jié)構(gòu)，建議不要在碰撞位置設(shè)置剛度較大的內(nèi)結(jié)構(gòu)，避免外板在吸收能量較少的情況下由于位移受限而發(fā)生局部破裂。而在6 m/s的高速碰撞可能性較大的情況下，建議在碰撞位置增加內(nèi)結(jié)構(gòu)水平強(qiáng)框，避免撞深過(guò)大而導(dǎo)致雙層殼破損。

3 結(jié)論

1)立柱外板和柱內(nèi)各類(lèi)結(jié)構(gòu)在碰撞初期共同承擔(dān)撞擊力，初始狀態(tài)內(nèi)結(jié)構(gòu)的吸能最多；隨著碰撞的進(jìn)行內(nèi)結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞而失效，而立柱外板和雙層殼與供應(yīng)船接觸面積不斷增大，最終立柱外板和雙層殼吸收的能量超過(guò)內(nèi)結(jié)構(gòu)。

2)供應(yīng)船正對(duì)水平強(qiáng)框位置撞擊支持平臺(tái)，水平強(qiáng)框的存在增大了立柱外板接觸剛度，使得立柱板殼產(chǎn)生的塑性變形較集中，出現(xiàn)斷裂失效更早更多。

3)立柱的抗撞性設(shè)計(jì)中，立柱外板和雙層殼是保障平臺(tái)穩(wěn)性的重要結(jié)構(gòu)，兩者又是通過(guò)變形吸收碰撞能量的主要結(jié)構(gòu)。