傅興云，陸響暉，谷家揚(yáng)，凌 晨，李天佑

(1.浙江凱靈船廠(舟山四八零六工廠), 浙江 舟山 316000；2.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七O八研究所，上海 200011；3.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；4.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

半潛式生活支持平臺(tái)是專為鉆井平臺(tái)服務(wù)的輔助平臺(tái)，靠泊跟隨狀態(tài)時(shí)動(dòng)力定位或系泊系統(tǒng)的失效可能導(dǎo)致支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)的碰撞。為了保障其靠泊作業(yè)的安全，研究生活支持平臺(tái)在不同碰撞速度與碰撞位置下的抗撞特性顯得十分重要。

碰撞研究從船-船碰撞，到船-平臺(tái)碰撞，再到現(xiàn)在平臺(tái)與平臺(tái)的碰撞，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的研究已十分深入。OZGUC等[1]定義了供應(yīng)船碰撞海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)船首、船舷、船尾等5種碰撞場(chǎng)景，采用大變形有限元法對(duì)FPSO碰撞后的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。STRONGE[2]在《碰撞力學(xué)》書中總結(jié)了幾種不同求解碰撞問題的方法，其中包括了三維碰撞問題的理論算法。SUN等[3]基于塑性變形方程提出了一種簡(jiǎn)化分析方法，用于快速預(yù)測(cè)船舷結(jié)構(gòu)在前傾型船艏碰撞下的響應(yīng)。LEHMANN等[4]通過將加筋板碰撞實(shí)驗(yàn)與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出了失效應(yīng)變與網(wǎng)格尺寸的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。陳練等[5]、劉俊峰等[6]也從船-船碰撞角度進(jìn)行外部機(jī)理探究，提出了碰撞中動(dòng)能耗散的估算方法。于兆龍[7]通過對(duì)雙層底3種主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)變形損傷機(jī)理進(jìn)行深入研究，提出了應(yīng)用于船舶擱淺事故的結(jié)構(gòu)響應(yīng)快速估算方法。高振國(guó)[8]基于有限元方法研究了FPSO舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗撞性能及船體結(jié)構(gòu)在碰撞事故中的變形機(jī)理，提出了對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法。

本文針對(duì)某標(biāo)準(zhǔn)型半潛式生活支持平臺(tái)，應(yīng)用數(shù)值分析方法，通過不同碰撞速度與不同碰撞位置下的對(duì)比分析，研究了生活支持平臺(tái)的碰撞敏感性。

1 生活支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)碰撞場(chǎng)景

1.1 計(jì)算模型的建立

本文計(jì)算所用半潛式生活支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)的有限元模型均采用SpaceClaim-HyperMesh軟件聯(lián)合建立，分別見圖1和圖2。

圖1 半潛式生活支持平臺(tái)有限元模型

本文采用浮箱、橫撐、立柱、甲板室的完整平臺(tái)有限元建模，充分保證了分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)在保證計(jì)算精度的前提下，對(duì)部分次要構(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。甲板室與浮箱碰撞區(qū)域內(nèi)所有構(gòu)件采用80 mm網(wǎng)格尺寸進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，非碰撞區(qū)域采用600 mm粗網(wǎng)格尺寸建模[9]。對(duì)應(yīng)半潛式生活支持平臺(tái)和深水鉆井平臺(tái)的主尺度見表1。

圖2 鉆井平臺(tái)有限元模型

表1 半潛式生活支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)主要參數(shù)

1.2 敏感性研究碰撞場(chǎng)景的確定

半潛式生活支持平臺(tái)靠泊作業(yè)過程中，由于動(dòng)力定位或系泊系統(tǒng)的失效可能會(huì)導(dǎo)致與鉆井平臺(tái)發(fā)生碰撞。在支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)碰撞場(chǎng)景中，碰撞速度與碰撞位置對(duì)支持平臺(tái)的碰撞特性有較大的影響。本文以不同碰撞速度與碰撞位置建立碰撞場(chǎng)景，對(duì)半潛式生活支持平臺(tái)進(jìn)行了碰撞敏感性研究。

生活支持平臺(tái)碰撞鉆井平臺(tái)時(shí)的撞擊速度大小與碰撞類型、靠泊控制及當(dāng)時(shí)作業(yè)海況有關(guān)，其撞擊的初始速度具有不確定性。本文選取典型碰撞位置(生活支持平臺(tái)棧橋基座碰撞鉆井平臺(tái)甲板室)，對(duì)生活支持平臺(tái)以0.60 m/s(歷史最高碰撞速度)、1.34 m/s(典型碰撞速度)、3.86 m/s(最大碰撞速度)的初速度撞擊鉆井平臺(tái)來(lái)研究其對(duì)撞擊結(jié)果影響的規(guī)律。另外,對(duì)生活支持平臺(tái)1.34 m/s典型碰撞速度下的正面?zhèn)葘?duì)側(cè)工況(生活支持平臺(tái)棧橋基座沿Y向?qū)χ姓层@井平臺(tái)甲板室)與30°角側(cè)對(duì)側(cè)工況(生活支持平臺(tái)浮箱以30°角側(cè)向撞向鉆井平臺(tái)浮箱)進(jìn)行對(duì)比分析，研究碰撞位置與角度對(duì)支持平臺(tái)碰撞特性的影響。不同碰撞工況下參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 支持平臺(tái)碰撞敏感性分析參數(shù)

2 碰撞速度敏感性分析

2.1 碰撞力對(duì)比分析

圖3為生活支持平臺(tái)以不同初始撞擊速度撞擊鉆井平臺(tái)的碰撞力-時(shí)間曲線。由圖3可知，發(fā)生接觸后，在極短時(shí)間內(nèi)便產(chǎn)生相當(dāng)大的碰撞力，且初始撞擊速度越大，碰撞的劇烈程度越高，碰撞力峰值越大。碰撞速度達(dá)到3.86 m/s時(shí)，碰撞力峰值遠(yuǎn)大于低速碰撞的最大碰撞力。這是因?yàn)闂蚧c甲板結(jié)構(gòu)不足以抵抗3.86 m/s速度下支持平臺(tái)的動(dòng)能，發(fā)生大面積破潰，致使生活支持平臺(tái)的立柱、浮箱與鉆井平臺(tái)發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致碰撞力的激增，直到支持平臺(tái)剩余動(dòng)能不足以抵抗結(jié)構(gòu)彈塑性變形時(shí)，碰撞力出現(xiàn)大幅減小。支持平臺(tái)速度較低時(shí)，碰撞力曲線比較光順。這是因?yàn)樵诘退偾闆r下，支持平臺(tái)棧橋基座與鉆井平臺(tái)甲板室以相互擠壓為主，碰撞現(xiàn)象表現(xiàn)得不是很明顯；而速度較高時(shí)碰撞力曲線非線性特征更加明顯，在高能碰撞下，支持平臺(tái)棧橋基座的結(jié)構(gòu)與單元快速失效，碰撞力反復(fù)出現(xiàn)加載與卸載現(xiàn)象。

圖4為不同撞擊初速度下的碰撞力-撞深曲線圖。從圖4可知：初速度為0.60 m/s和1.34 m/s的碰撞力-撞深曲線的變化趨勢(shì)基本一致，只是峰值不同，說明碰撞力-撞深曲線走勢(shì)與生活支持平臺(tái)的初速度無(wú)關(guān)；初速度為3.86 m/s時(shí)，在碰撞初始階段(0～1.5 s)，與0.6 m/s和1.34 m/s的碰撞力-撞深曲線的變化趨勢(shì)基本一致，之后由初始時(shí)刻的線性階段快速進(jìn)入非線性階段，說明在碰撞初始階段，屬于彈性變形階段，隨著撞深及接觸面的不斷增大，碰撞力也在增加，材料快速進(jìn)入到塑性變形階段而產(chǎn)生塑性變形損傷。

圖3 不同撞擊初速度下的碰撞力-時(shí)間曲線圖

2.2 結(jié)構(gòu)損傷對(duì)比分析

圖5～圖6為棧橋基座和甲板室在不同碰撞速度下的損傷變形圖。從圖中看出，隨著碰撞速度的增大，碰撞接觸區(qū)的變形和損傷區(qū)域也不斷增大，而對(duì)于非碰撞區(qū)的影響相當(dāng)小，碰撞的局部性特點(diǎn)非常明顯。0.6 m/s撞擊速度時(shí)，棧橋基座的圓筒與水平框架出現(xiàn)較大凹陷，但棧橋基座外板和平臺(tái)板未出現(xiàn)較大形變；1.34 m/s撞擊速度時(shí)，棧橋基座的圓筒、水平框架、外板和平臺(tái)板均出現(xiàn)較大凹陷，但未出現(xiàn)較大破潰；撞擊速度達(dá)到3.86 m/s時(shí)，棧橋基座的圓筒、水平框架、外板和平臺(tái)板均出現(xiàn)較大破潰，棧橋基座結(jié)構(gòu)幾乎完全損毀。

從圖5～圖6中還可看出，生活支持平臺(tái)棧橋基座和甲板室的中橫艙壁與水平框架較其他地方變形損傷要大，最容易發(fā)生斷裂破壞，且撞擊速度越大，結(jié)構(gòu)的損傷越嚴(yán)重。0.60 m/s撞擊速度時(shí)，生活支持平臺(tái)甲板室外板只是發(fā)生了較大的塑性變形，但沒有單元破壞；1.34 m/s撞擊速度時(shí)，甲板室外板部分結(jié)構(gòu)達(dá)到最大塑性失效應(yīng)變，甲板室外板發(fā)生破裂，且結(jié)構(gòu)的變形較大；3.86 m/s撞擊速度時(shí)，甲板室已承受不住這種巨大能量的撞擊，出現(xiàn)更大區(qū)域的破壞。

圖5 棧橋基座不同碰撞速度下?lián)p傷變形圖

圖6 甲板室不同碰撞速度下?lián)p傷變形圖

2.3 能量轉(zhuǎn)化對(duì)比分析

表3為系統(tǒng)及棧橋基座在不同碰撞速度下碰撞結(jié)束時(shí)的吸能結(jié)果。

表3 不同碰撞速度下系統(tǒng)及棧橋基座變形能吸收結(jié)果

由表3可知：當(dāng)碰撞速度不大于1.34 m/s時(shí)，隨著碰撞速度的增加，生活支持平臺(tái)所吸收的變形能占比在上升。這說明生活支持平臺(tái)撞擊速度越大，平臺(tái)的塑性變形越大，所吸收的變形能也越大。而當(dāng)碰撞速度大于1.34 m/s后，生活支持平臺(tái)所吸收的變形能占比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)闂蚧軌蛭盏淖冃文苡蓷蚧慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定，棧橋基座達(dá)到抵抗碰撞變形極限后，無(wú)法吸收更多變形能，而平臺(tái)總能量是增加的，所以變形能占生活支持平臺(tái)初始動(dòng)能比值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

在低速碰撞時(shí)，棧橋基座吸能結(jié)構(gòu)為圓筒和水平框架，此時(shí)對(duì)棧橋基座外板的破壞較為輕微。當(dāng)速度達(dá)到典型碰撞速度(1.34 m/s)時(shí)，棧橋基座外板對(duì)撞擊產(chǎn)生的抵抗力在快速增加，對(duì)整體吸能貢獻(xiàn)增大，吸能效果明顯。當(dāng)速度達(dá)到最大碰撞速度時(shí)，棧橋基座外板、圓筒和水平框架結(jié)構(gòu)由于大面積破潰，對(duì)撞擊產(chǎn)生的抵抗力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)生活支持平臺(tái)的剩余動(dòng)能更多地被甲板室所吸收。

3 碰撞位置敏感性分析

3.1 碰撞力對(duì)比分析

圖7為生活支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)不同撞擊位置下的碰撞力-時(shí)間曲線圖。由圖7可知，初始撞擊速度相同的情況下，生活支持平臺(tái)棧橋基座對(duì)中正撞時(shí)碰撞的劇烈程度更高，碰撞力峰值更大。生活支持平臺(tái)浮箱30°斜向撞擊鉆井平臺(tái)浮箱的劇烈程度明顯低于對(duì)中正撞。這是由于30°斜向撞擊為非對(duì)心碰撞，生活支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)以碰撞接觸面為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)，更多的初始動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了2座平臺(tái)的動(dòng)能，大幅減少了變形能的吸收。對(duì)比2種碰撞的持續(xù)時(shí)間可知，對(duì)中正撞的持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于30°斜向碰撞。這是由于30°斜向撞擊產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)使2個(gè)平臺(tái)很快分離。

圖7 不同撞擊位置下的碰撞力-時(shí)間曲線圖

圖8為不同撞擊位置下的碰撞力-撞深曲線圖。從圖8可知，2種工況下碰撞力-撞深曲線都在短暫的線性增長(zhǎng)結(jié)束后，出現(xiàn)一段平穩(wěn)期，隨后又線性增長(zhǎng)。不同的是，對(duì)中正撞時(shí)平穩(wěn)期較長(zhǎng)，而30°斜撞平穩(wěn)期較短，這是由碰撞位置自身結(jié)構(gòu)形式與強(qiáng)度決定的。對(duì)中正撞工況棧橋基座只有部分結(jié)構(gòu)參與抵抗碰撞力的形變作用，當(dāng)沒有更多結(jié)構(gòu)參與抵抗碰撞時(shí)，碰撞力呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)；而30°斜撞工況浮箱的結(jié)構(gòu)很快都參與到抵抗碰撞形變的作用中，碰撞力短暫平穩(wěn)后又開始增長(zhǎng)，從而說明浮箱的結(jié)構(gòu)要比棧橋基座的更為可靠，更能有效地抵御碰撞。在碰撞力達(dá)到峰值后，支持平臺(tái)的動(dòng)能不足以使生活支持平臺(tái)和鉆井平臺(tái)的單元發(fā)生破壞，鉆井平臺(tái)與生活支持平臺(tái)開始分離，從而碰撞力出現(xiàn)卸載現(xiàn)象。卸載曲線的斜率與碰撞初始階段的斜率一致，反映了生活支持平臺(tái)本身所固有的抗撞特性。

3.2 結(jié)構(gòu)損傷對(duì)比分析

圖9～圖14為棧橋基座、甲板室和浮箱在碰撞結(jié)束后的損傷變形圖。從圖中看出，支持平臺(tái)對(duì)中正撞鉆井平臺(tái)時(shí)，位于碰撞接觸區(qū)的棧橋基座損傷變形嚴(yán)重。在整個(gè)碰撞過程中，伴隨著構(gòu)件的塑性變形失效，棧橋基座和棧橋基座連接處甲板室結(jié)構(gòu)的典型損傷是板材的褶皺、彎曲和撕裂。棧橋基座外板上首先發(fā)生塑性形變，被撞面形成凹陷，不斷褶皺到一起；隨著撞深的增加，棧橋基座內(nèi)部的水平框架受到擠壓，發(fā)生塑性形變，形成褶皺并失效。支持平臺(tái)30°斜向撞擊鉆井平臺(tái)時(shí)，碰撞接觸區(qū)的浮箱受到碰撞的擠壓作用，浮箱外板和平臺(tái)板發(fā)生塑性彎曲，形成褶皺并失效，而浮箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)只有一個(gè)位于碰撞接觸區(qū)域的橫框架發(fā)生較大形變，而遠(yuǎn)離碰撞區(qū)浮箱外板及其他結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)明顯塑性形變。

圖8 不同撞擊位置下的碰撞力-撞深曲線圖

3.3 能量轉(zhuǎn)化對(duì)比分析

表4為系統(tǒng)及碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)在不同碰撞位置與角度下碰撞結(jié)束時(shí)的吸能轉(zhuǎn)化結(jié)果。

圖9 棧橋基座損傷變形圖

圖10 甲板室損傷變形圖

圖11 甲板室內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷變形圖

圖12 浮箱損傷變形圖

圖13 浮箱損傷變形圖

圖14 浮箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷變形圖

表4 不同碰撞位置下的系統(tǒng)及碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)變形能吸收結(jié)果

碰撞位置棧橋基座浮箱系統(tǒng)初始動(dòng)能 /MJ61.9460.25系統(tǒng)動(dòng)能占系統(tǒng)總能百分?jǐn)?shù)/%43.8072.17系統(tǒng)變形能占系統(tǒng)總能百分?jǐn)?shù)/%48.5010.64動(dòng)能占生活支持平臺(tái)總能量百分?jǐn)?shù)/%90.4219.24變形能占生活支持平臺(tái)總能量百分?jǐn)?shù)/%9.3380.73棧橋基座/浮箱變形能占系統(tǒng)變形能/%78.2699.67外板占棧橋基座/浮箱變形能百分?jǐn)?shù)/%32.0079.54強(qiáng)框架占棧橋基座/浮箱變形能百分?jǐn)?shù)/%37.9120.24

由表4可知，支持平臺(tái)對(duì)中正撞鉆井平臺(tái)時(shí)，初始動(dòng)能更多地轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)和生活支持平臺(tái)棧橋基座的變形能；而支持平臺(tái)浮箱30°斜向撞擊鉆井平臺(tái)浮箱時(shí)，由于30°撞擊為非對(duì)心碰撞，生活支持平臺(tái)與鉆井平臺(tái)以碰撞接觸面為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)，更多的初始動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了2座平臺(tái)的動(dòng)能，大幅減少了變形能的吸收。總體而言，對(duì)中正撞時(shí)，變形能是生活支持平臺(tái)初始動(dòng)能耗散的主要去向；而30°斜向撞擊時(shí)，動(dòng)能成為生活支持平臺(tái)初始動(dòng)能耗散的主要去向。

對(duì)中正撞時(shí)，處于碰撞區(qū)域的支持平臺(tái)棧橋基座變形能占支持平臺(tái)變形能的大部分，其中棧橋基座外板與水平框架吸收的變性能占多數(shù)；30°斜向撞擊時(shí)，處于碰撞區(qū)域的支持平臺(tái)浮箱變形能占支持平臺(tái)變形能的絕大部分，其中浮箱外板吸收了大部分的變性能。由此看出，外板作為碰撞直接接觸結(jié)構(gòu)，是吸收能量與傳遞能量的主要構(gòu)件，強(qiáng)框架作為支撐外板的主要構(gòu)件，也承擔(dān)著重要的吸能作用。

4 結(jié)論

(1)碰撞速度是影響碰撞損傷結(jié)果的重要因素，碰撞速度越大，碰撞力峰值就越大，結(jié)構(gòu)損傷變形程度和范圍也就越大。不同碰撞速度下，碰撞力的變化趨勢(shì)大致相同，主要由碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。

(2)隨著碰撞速度的增加，平臺(tái)所受沖擊與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越大，平臺(tái)吸收動(dòng)能所占比值在增大，變形能比值在下降。

(3)生活支持平臺(tái)對(duì)中正撞鉆井平臺(tái)時(shí)，初始動(dòng)能更多的轉(zhuǎn)化成生活支持平臺(tái)棧橋基座的變形能，結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重；30°斜向撞擊時(shí)為非對(duì)心碰撞，其劇烈程度明顯低于對(duì)中正撞，碰撞力峰值小很多，更多的初始動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了2座平臺(tái)的動(dòng)能，大幅減少了變形能的吸收。

(4)30°斜向撞擊產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)使2個(gè)平臺(tái)很快分離，其碰撞持續(xù)時(shí)間相較于對(duì)中正撞明顯縮短。