跌落分析技術(shù)在海洋平臺安全性評估中的應(yīng)用

韓華偉

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺 264670)

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跌落分析技術(shù)在海洋平臺安全性評估中的應(yīng)用

韓華偉

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺 264670)

摘要在半潛式鉆井平臺作業(yè)過程中，由于工作海況環(huán)境比較復(fù)雜多變，為了使平臺在特定海況下能夠正常工作，該文基于ABAQUS軟件對鉆井平臺在復(fù)雜海況下的典型局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，對以后應(yīng)用ABAQUS軟件在該領(lǐng)域的局部強(qiáng)度研究以及船級社送審具有一定的意義。

關(guān)鍵詞鉆井平臺有限元ABAQUS

The Application of Dropping Analysis on Safety Estimation of Offshore Platform

HAN Hua-wei

(CIMC Offshore Engineering Institute Co., Ltd., Yantai Shandong 264670, China)

AbstractFor the complex working environment during offshore working, a local analysis about riser dropping is performed, which give the stress result to explain the sufficient structure and report for DNV. Final give some advice on how to do similar local analysis in this area.

Keywords Offshore platformFinite elementABAQUS

0引言

伴隨油氣開采向海洋發(fā)展，海洋工程裝備業(yè)成為新的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，海工平臺的鉆井作業(yè)水深也由淺入深。由于海工裝備貨物吊裝運(yùn)輸作業(yè)的頻率非常高，就不可避免地發(fā)生因脫鉤、繩斷等引起的物體跌落，一旦發(fā)生這類事故，必將對船體造成一定程度的損壞，甚至可能穿透甲板，進(jìn)而破壞甲板下的結(jié)構(gòu)或設(shè)備，也有可能造成人員傷亡。根據(jù)英國能源部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平臺在吊機(jī)作業(yè)過程中發(fā)生鉆桿等吊裝物失控落在甲板上的危險性很高。因此，有必要對物體跌落造成船體受到?jīng)_擊的過程進(jìn)行模擬分析，來獲取船體的損傷變形和破壞程度。

本文采用針對海洋工程中的一些典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部有限元強(qiáng)度分析，包含外載荷、內(nèi)應(yīng)力計算分析，從而對船體強(qiáng)度作出判斷，并依據(jù)DNV規(guī)范的有關(guān)要求對平臺進(jìn)行了強(qiáng)度校核，計算其局部應(yīng)力并形成可行性分析報告送審DNV等相關(guān)船級社。 最后，本文結(jié)合相關(guān)的局部強(qiáng)度分析給出了指導(dǎo)性的設(shè)計建議，為相關(guān)的設(shè)計建造提供了參考。

1非線性動力學(xué)分析

所謂跌落碰撞分析是指平臺甲板面上空的作業(yè)區(qū)域突然承受高空跌落的吊裝物，是一種有時間歷程的非線性動態(tài)分析響應(yīng)過程，動力特性過程明顯，碰撞區(qū)域的甲板結(jié)構(gòu)在沖擊過程中由超彈性階段快速過渡為塑性流動階段，在此過程中有可能會發(fā)生斷裂、強(qiáng)度破壞等情況。目前可以采用有限元分析的手段，基于跌落過程中和船體結(jié)構(gòu)的接觸時間歷程設(shè)置分析過程，分析結(jié)果和實(shí)際跌落結(jié)果一致，可用于預(yù)測平臺甲板以上作業(yè)區(qū)域的安全評估[1]。

本文選取某鉆井平臺的一個特殊例子——鉆管高空落下，闡述應(yīng)用顯式有限元法對跌落碰撞過程進(jìn)行了模擬分析，落物危險區(qū)域主要集中在主甲板，如圖1所示。

圖1　落物分布區(qū)域

1.1建立計算的力學(xué)/數(shù)學(xué)模型

借助ABAQUS軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能劃分合適的網(wǎng)格類型，在建立模型時，甲板盒結(jié)構(gòu)中所有的甲板面、縱橫艙壁、碰撞跌落位置的大型梁結(jié)構(gòu)、相鄰區(qū)域的T型材腹板均用殼單元來模擬，非跌落區(qū)的T型材的面板和球扁鋼等小截面型材考慮采用梁單元來模擬，以此來減少前處理時間，降低計算步長，節(jié)約大量的計算時間[2]。

對于跌落物體，為了更真實(shí)地模擬物體沖擊船體的過程，跌落物體按照實(shí)際的尺寸建模。由于，跌落物體的損壞情況比起船體的損壞來說不是分析所關(guān)注的重點(diǎn)，因此跌落物體只用殼體來代替，外形尺寸與實(shí)際尺寸一致，又根據(jù)DNV規(guī)范可把跌落物體假定為剛體。

考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性和落物載荷的均布性，選取了距離船中4 000 mm和9 750 mm之間，主甲板以下1 500 mm區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模。網(wǎng)格采用減縮積分單元，并且采用比較細(xì)的網(wǎng)格來避免沙漏現(xiàn)象，跌落區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化情況，如圖2所示，而非跌落區(qū)域的網(wǎng)格劃分較粗。采用減縮積分單元有如下特點(diǎn)。

(1) 位移的求解結(jié)果較精確。

(2) 網(wǎng)格存在異樣時，(例如單元的角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或者小于90°)，可以保證分析精度。

(3) 不容易發(fā)生剪切自鎖。

圖2　數(shù)學(xué)力學(xué)模型

1.2邊界條件

在分析前處理過程中，由于在瞬時的沖擊作用下，甲板接觸區(qū)域結(jié)構(gòu)的變形較大，物體跌落表現(xiàn)為局部性，邊界條件對分析結(jié)果的影響可以忽略不計，引入了結(jié)構(gòu)非線性分析方法，如圖3所示。模型中船體甲板結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼，根據(jù)材料非線性定義的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。并在沖撞區(qū)域進(jìn)行了局部墊板加強(qiáng)。材料彈性模量E=2×1011，泊松比 =0.3。分析結(jié)構(gòu)中艙壁位置相對于其他結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，所以采用了固支的邊界條件，而對于兩個型材中間跨度的位置，考慮到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和對稱性，采用了對稱的邊界條件來模擬真實(shí)的邊界[3]。

物體跌落的過程作用時間短，沖擊力大，碰撞過程中兩者的相對位移可以忽略，而材料很容易進(jìn)入塑性變形階段。因此，在進(jìn)行跌落分析時，要考慮材料的塑性性質(zhì)[4]。

圖3　大變形

圖4　材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3載荷的確定

根據(jù)實(shí)際情況，取定物體的最大下落高度，由于下落物體較重，忽略空氣對跌落物體的阻力影響，假定物體從跌落位置開始以9.81 m/s2重力加速度進(jìn)行自由落體運(yùn)動[5]。

在本例的落物分析過程中，只需計算接觸甲板之前的速度，并定義在預(yù)定義分析步驟中即可。在跌落分析時，沖擊荷載是以物體剛與船體結(jié)構(gòu)接觸時的速度施加于模型[6]。本文賦于鉆管17.1 m/s的速度來模擬沖擊甲板過程。

(1)

式中：h為下落時物體的高度；g是重力加速度。

2有限元分析結(jié)果與分析

依據(jù)ABAQUS軟件強(qiáng)大的后處理功能，提取式(2)所需的不同結(jié)構(gòu)不同方向應(yīng)力，得出相應(yīng)的合成應(yīng)力，并基于DNV的相關(guān)要求核對分析結(jié)果。分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

(2)

圖5　應(yīng)力云圖

圖6　能量—時間圖

有限元校核結(jié)果如表1所示。

由表1可知，材料的使用系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，這意味著材料的利用率不高。在保證強(qiáng)度、屈曲要求的前提下，還可以進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最大的應(yīng)力出現(xiàn)在落物上，可見甲板下的支撐結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下是安全的，不需要再進(jìn)行加強(qiáng)，該局部分析是參照DNV的要求進(jìn)行的，結(jié)果表明強(qiáng)度符合船級社要求，可以現(xiàn)場制造。

表1　有限元校核結(jié)果

3結(jié)論

(1) 從ABAQUS分析結(jié)果來看，由于甲板的應(yīng)力較小，建議取消作為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的甲板上面的墊板，而加強(qiáng)甲板盒內(nèi)的縱向結(jié)構(gòu)，即便于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)加強(qiáng)施工，同時也可以比較流暢的傳遞載荷。

(2) 基于有限元專業(yè)軟件評估強(qiáng)度，可以使用動力學(xué)分析的方法，動態(tài)地顯示每一個分析步驟的變形和應(yīng)力情況，其結(jié)果較常規(guī)校核方法更為精確、直觀，可在得出結(jié)論后進(jìn)行分析結(jié)果的后處理并給出修改方案。

(3) 隨著海洋工程裝備的發(fā)展步伐，越來越多的操作方對于安全評估提出了更高的要求，特別是基于人機(jī)工程健康、安全、環(huán)保的研究，逐漸被行業(yè)內(nèi)所重視。本文提出的計算方法對該類平臺的其它局部強(qiáng)度校核也具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]楊永強(qiáng),李爽, 謝禮立.構(gòu)件跌落碰撞的數(shù)值模擬研究 [J].振動與沖擊,2010，6(6)：54-58.

[2]朱霞,顧景喜,陳俊斌,等. JG3軍用合成制動液運(yùn)輸包裝跌落仿真分析 [J].包裝工程,2015(9):64-68.

[3]占智貴,劉明建. 手機(jī)主攝像頭跌落仿真和優(yōu)化設(shè)計[J].計算機(jī)輔助工程,2015(2):59-62.

[4]DNV.Offshore Standard DNV-OS-C103 Structural Design of Column Stabilised Units(LRFD Method)[S]. 2004.

[5]DNV.Offshore Standard DNV-OS-A101 Safety Principles and Arrangements[S]. 2001.

[6]DNV.Recommended Practice DNV-RP-103 Column Stabilised Units[S]. 2005.

[上接第38頁]

圖9　內(nèi)殼板屈曲云圖

4結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了800PCC內(nèi)河商品汽車滾裝船總縱強(qiáng)度的計算，其中規(guī)范計算重點(diǎn)提出了聯(lián)合剖面模數(shù)及聯(lián)合慣性矩的概念，這與海船的設(shè)計理念是完全不同的，但在內(nèi)河船設(shè)計中是比較常用的。通過總縱強(qiáng)度有限元計算發(fā)現(xiàn)，屈服計算較易滿足，沒有問題，但由于本船只有中拱，導(dǎo)致船底板及內(nèi)殼板底部的屈曲需要考慮增加板厚及屈曲筋。

[1]中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2014.

[2]中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計使用手冊(結(jié)構(gòu)分冊)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

中圖分類號P75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：韓華偉(1980-)，男，高級工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計和分析。

基金項(xiàng)目：工信部“高效輕量化吊機(jī)設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)”(編號：〔2011〕530)。