水下結構物保護罩受墜物撞擊的有限元分析

周美珍，王剛，邢廣闊，廖洪千，王長濤

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.哈爾濱工程大學 水下機器人技術國防重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

水下結構物保護罩受墜物撞擊的有限元分析

周美珍1，王剛2，邢廣闊1，廖洪千3，王長濤1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.哈爾濱工程大學 水下機器人技術國防重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在跨接管安裝過程中，跨接管跌落會對水下結構保護罩造成破壞，對其內部裝置正常工作造成影響，因此需要對保護罩受墜物撞擊的過程進行研究。基于ANSYS/Explicit，建立了跨接管撞擊水下結構保護罩的有限元模型，并在不同工況下對碰撞進行了分析，將仿真結果與工程計算法得到的結果進行了比較。研究表明：相同撞擊條件下，撞擊位置越靠端部位置，產生的應力越大；撞擊位置越靠中部位置，產生的位移變形越大；保護罩越厚，應力和變形則越小；工程計算法相對有限元法趨于保守。

水下結構；墜物；撞擊；保護罩；顯示動力學；有限元

隨著深水海洋石油工業的發展，水下結構在深海石油及天然氣的開采中起著非常重要的作用。水下結構在安裝和生產過程中，經常由于漁業船只捕撈及其他事故拋錨作業造成船錨或其他落物與海底水下結構發生碰撞的情況，給結構物造成損害。墜落物體與水下結構的碰撞過程是一個非線性問題，采用理論計算或通過實驗方法進行求解復雜而缺乏準確性[1-5]。ANSYS/Explicit分析模塊，適用于像沖擊和爆炸這類短暫，瞬時的動態事件，對加工成形過程中改變接觸條件的這類高度非線性問題也非常有效。近年來有很多企業對產品進行跌落分析研究，如對便攜工具的跌落性能研究[6]，手機外殼耐沖擊性能研究[7-8]，構件跌落碰撞的性能研究[9-10]等，但很少有對水下結構受墜物撞擊的研究。在水下結構物保護罩的設計過程中，經常遇到保護罩與內部水下設備之間距離的選擇問題，既要又要保證保護罩變形不會接觸內部設備，又要盡量減小距離優化保護罩的體積。本文通過ANSYS/Explicit理論分析，建立三維有限元模型，對不同工況下墜物撞擊水下結構的保護罩進行對比分析，評價了落物撞擊對水下結構保護罩的影響，為水下結構的詳細設計提供理論依據。

1 理論分析

1.1 節點計算

整個運算過程中采用差分平衡方程，運用動態方程的每個微小的增量步內計算下一個增量步的動態狀況[11]，其動力平衡方程表示為

(1)

由式(1)得節點在t時刻的加速度：

(2)

節點速度為

(3)

式中：△t為時間增量步值。

節點位移方程為：

(4)

式中：X為節點位移。

1.2 單元計算

(5)

用顯式方法求解時，模型的時間增量△t直接影響計算的準確性，當時間增量大于穩定時間極限△tstable時，求解不收斂。基于單個單元的估算，穩定極限可通過單元長度Le和材料波速Cd來定義：

△tstable=Le/Cd

(6)

單元長度采用最短單元尺寸，長度越短，穩定極限越小。波速計算公式：

(7)

式中：E為彈性模量，ρ為材料密度。

因此材料的剛度越大，密度越小，波速越大，穩定極限越小，反之穩定極限越大。因此，在模擬時使用適當密度放大因子，可以有效提高計算速度。

2 墜物撞擊分析

2.1 水下油氣生產系統

圖1 水下油氣生產系統Fig. 1 Subsea production system

水下生產系統包括油井、井口頭、采油樹、接入出油口和控制油井的操縱設備[12]。在水下生產系統中，跨接管是一個較短的管狀連接元件，主要用來在采油樹和管匯、管匯和管匯等之間輸油，除輸油外，跨接管也可以用來向油井注水和氣，如圖1所示。 跨接管主要包括“M”和“U” 2種形式。為保護水下生產系統的安全性，通常會為水下結構物設計相應的保護罩。在跨接管安裝過程中，為防止跨接管跌落對保護裝置造成破壞，避免保護裝置變形對內部裝置正常工作造成影響，需要對跨接管和保護罩的碰撞進行研究，為保護罩的設計和內部水下設備之間距離的選擇提供理論依據。

2.2 物理參數及假設

在不影響計算精度的前提下，為簡化計算模型、節省計算時間，依據水下生產系統的設計和操作規范ISO13628-1對出墜物撞擊保護罩相關參數進行了假設：

1)墜物撞擊的保護罩頂四周采用固定約束；

2)保護罩尺寸，長1 500 mm，寬1 500 mm，跨接管直徑168 mm，壁厚12.7 mm，長1 680 mm，法蘭直徑504 mm，厚168 mm；

3)墜物底面與受撞擊面面接觸并為無摩擦接觸；

4)墜物定義為離散剛體，即在撞擊過程中不發生變形；

5)保護罩結料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，抗拉強度490 MPa；

表1 墜物載荷

2.3 算例

依據跨接管安裝過程的實際工況，針對跨接管掉落撞擊保護罩的不同位置，基于不同厚度的保護罩與初始撞擊速度，分析跨接管撞擊對保護罩變形的影響程度。

初始撞擊工況：

1)撞擊位置為保護罩中部位置；

2)撞擊位置保護罩端部位置；

3)保護罩厚度為10 mm；

4)保護罩厚度為5 mm。

跨接管與保護罩的三維幾何模型比較規則，采用ANSYS workbench模塊中的默認六面體單元進行網格劃分，規則的單元有利于計算，并且提高計算精度，單元數為65 119，節點數為100 664，撞擊結合面采用無摩擦的接觸類型，有限元模型如圖2 (a)所示。 圖2為跨接管以11.128 m/s的速度從中間撞擊厚度為10 mm，由應力云圖與位移云圖可知，最大位移為13.344 mm，最大應力為203.99 MPa，保護罩處于彈性變形。

(a) 撞擊模型

(b) 碰撞應力云圖

(c) 碰撞位移云圖圖2 碰撞有限元分析Fig. 2 Finite element analysis on impact

圖3為跨接管以3種不同的能量從中間撞擊厚度為5 mm的位移、應力曲線圖，最大位移13.62 mm、最大應力為223.37 MPa，最大值均位于撞擊位置，保護罩處于彈性變形。

圖4為跨接管以3種不同的能量從中間撞擊厚度為10 mm保護罩的位移、應力曲線圖，最大位移12.21 mm、最大應力為203.99 MPa，最大值均位于撞擊位置，保護罩處于彈性變形。

(a)中間橫截面變形

(b) 中間橫截面應力圖3 墜物中間撞擊5 mm保護罩Fig. 3 Falling object's impact on center of 5 mm protective cover

(a) 中間橫截面變形

(b) 中間橫截面應力圖4 墜物中間撞擊10 mm保護罩Fig. 4 Falling object's impact on center of 10 mm protective cover

(a) 端部橫截面變形

(b) 端部橫截面應力圖5 墜物端部撞擊5 mm保護罩Fig. 5 Falling object's impact on edge of 5 mm protective cover

(a) 端部橫截面變形

(b) 端部橫截面應力圖6 墜物端部撞擊10 mm保護罩Fig. 6 Falling object's impact on edge of 10 mm protective cover

圖5為跨接管以3種不同的能量從端部撞擊厚度為5 mm保護罩的位移、應力曲線圖，最大位移7.11 mm、最大應力為320.41 MPa，最大值均位于撞擊位置，保護罩處于彈性變形。

圖6為跨接管以3種不同的能量從中間撞擊厚度為10 mm保護罩的位移、應力曲線圖，最大位移6.95 mm、最大應力為220.83 MPa，最大值均位于撞擊位置，保護罩處于彈性變形。

上述分別對保護罩不同撞擊位置、跨接管不同撞擊能量、保護罩不同撞擊厚度進行了有限元仿真分析。最大撞擊位移為13.62 mm，發生在保護罩厚度為5 mm，以最大撞擊能量撞擊保護罩中間位置；最大撞擊應力為320.41 MPa，發生在保護罩厚度為5 mm，以最大撞擊能量撞擊保護罩端部位置。從圖中可以看出，當墜物能量越大時，保護罩產生的變形和應力越大；當保護罩越厚時，保護罩產生的變形和應力越小；當撞擊位置在端部時，產生的應力更大，但由于保護罩端部約束的存在，變形位移卻更小。

3 保護罩受墜物撞擊工程計算分析

當前，對于水下結構物保護罩受到墜物撞擊的計算和分析，還有一種基于工程調查和規范以及水下生產系統在位分析的保守計算。認為墜落物的沖擊載荷對被沖擊水下結構存在著兩種作用，即：豎向的位移及相應的旋轉。因此，根據能力守恒理論可知:

E=0.5Kz△z2+0.5Kθθ2

(8)

△z=Fz/Kz

(9)

θ=FzH/Kθ

(10)

因此根據式(8)～(10)可得：

(11)

式中：△z為被沖擊物體受到沖擊后的豎向位移；θ為被沖擊物體受到沖擊后相應的旋轉角度；Kz為被沖擊物體底部豎向支撐剛度；Kθ為被沖擊物體底部扭轉抵抗剛度；Fz為沖擊載荷；H為沖擊位置距重心的距離。

4 結果比較與分析

對不同的工況下的墜物撞擊保護罩進行工程分析計算，并與有限元分析結果進行了比較，最大應力和變形數據見表2。

通過表2可以看出，有限元計算所得應力要比工程方法小，這主要是由于有限元方法充分考慮到了保護罩受沖擊后發生變形。而工程上未考慮變形，是一種比較保守的計算。因此可以看出有限元法更為精確。

表2 結果比較

5 結論

基于ANSYS顯式動力學方法，建立了跨接管撞擊水下結構保護罩的有限元模型，并在不同工況下對碰撞進行了分析，然后將仿真結果與工程計算法得到的結果進行了比較，得到以下結論：

1)同樣的撞擊條件，撞擊位置在保護罩中部相對撞擊位置在保護罩端部的變形更大；

2)同樣的撞擊條件，撞擊位置在保護罩端部相對撞擊位置在保護罩中部的應力更大；

3)保護罩越厚，應力和變形則越小；

4)工程計算法相對有限元法趨于保守。

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Finite element analysis of a falling object's impact on the protective cover of subsea structures

ZHOU Meizhen1，WANG Gang2，XING Guangkuo1，LIAO Hongqian3，WANG Changtao1

(1. Offshore Oil Engineering Co，Ltd，Tianjin 300451，China；2. State Key Laboratory of Autonomous Underwater Vehicle, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

During jumper installation a falling jumper may damage a subsea structure's protective cover, and the protective cover's deformation can affect the inner device. So the process of the protective cover being impacted by falling objects needs research. Based on ANSYS/Explicit, a finite element model (FEM) of the impact between a subsea structure's protective cover and a jumper was established, and analyzed in different working conditions.The results of FEM were compared with that of engineering calculations. Studies indicate that under the same impact conditions, the closer the impact location is to the edge of the protective cover, the larger the stress; the closer the impact location is to the middle, the larger the deformation; the thicker the protective cover, the smaller the stress and deformation. The engineering calculation method is more conservative than FEM.

subsea structures; falling object; impact; protective cover; explicit dynamics; finite element model (FEM)

2014-09-19.

時間：2015-07-15.

國家工信部海洋工程裝備科研課題(Z13SJENG0115).

周美珍(1962-)，女，教授，教授級高級工程師； 王剛(1983-)，男，講師，博士.

王剛， E-mail: wanggang@hrbeu.edu.cn.

10.3969/jheu.201409051

TE42

A

1006-7043(2015)09-1165-05

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150715.1728.012.html