不同材料模型和應變率對船舶與海上風電平臺碰撞影響

閆 偉 焦雙健 何其斌

(中國海洋大學，山東 青島 266100)

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不同材料模型和應變率對船舶與海上風電平臺碰撞影響

閆 偉 焦雙健 何其斌

(中國海洋大學，山東 青島 266100)

利用非線性顯示動力學軟件LS-DYNA，對三樁式風電站遭受船舶撞擊的情形進行了有限元計算，研究了兩種材料模型和不同的應變率狀態對船舶與三樁式海上風電平臺碰撞結果的影響，并通過對比不同工況下的應力應變特性、位移、碰撞力以及能量轉化等，得到了相關數據和結論。

海上風電場，船舶碰撞，應變率，材料模型

0 引言

隨著海上風電產業的迅速發展，船舶碰撞風電結構作為一前沿問題，關于此類碰撞的風險從來沒有人忽視，深入開展這方面的研究，對減少船舶碰撞事故具有重要的理論和現實意義。在進行船舶與海上風電平臺研究時，有必要探討應變率狀態和材料模型問題。本文將利用有限元軟件LS-DYNA探討兩種材料模型和應變率狀態對船舶撞擊三樁式海上風電平臺計算結果的影響。

1 材料模型和應變率特性

1.1 應變率特性

碰撞是一個動態過程，在快速的撞擊動載作用下，彈塑性材料模型的力學特性會發生明顯變化，即金屬材料的極限屈服強度明顯提高，屈服現象出現滯后，材料往往不能忽略應變率的影響。根據應變率相關與否，可將彈塑性材料分為率相關材料和率無關材料。

1.2 材料模型

目前在船舶碰撞問題研究中，塑性隨動材料和分段線性塑性材料模型是兩種較為常用的材料模型。

塑性隨動材料能夠考慮材料失效，也能夠考慮應變率狀態，它的應變率模型是Cowper-Symonds模型。其屈服應力表達式如式(1)所示，包括與應變率有關的因子。

(1)

(2)

分段線性塑性材料模型能夠考慮材料失效，也能夠考慮應變率狀態，應變率模型與塑性隨動模型一樣。其屈服應力表達式如式(3)所示，包括與應變率有關的因子。

(3)

2 船舶與三樁式海上風電平臺計算模型

2.1 有限元模型

本文假設質量為10 000 t的貨船以5 m/s的速度垂直撞擊三樁式海上風電平臺。接觸面算法采用對稱罰函數法[1]，采用基于試驗數據的經驗公式來計算附加水質量[2]。將樁土之間的作用采用線性彈簧來模擬，彈簧單元的剛度根據“m”法得出。

2.2 仿真工況

根據材料模型和應變率狀態的不同可選擇四種工況。工況一：分段線性塑性模型，考慮應變率；工況二：分段線性塑性模型，不考慮應變率；工況三：各向同性隨動塑性模型，考慮應變率；工況四：各向同性隨動塑性模型，不考慮應變率。

3 計算結果與結論

3.1 應力應變和位移對比分析

圖1～圖4給出了四種工況風電站結構應力分布云圖，圖示時間為船舶速度降為0的時刻。

將不同材料模型和應變率狀態下的主要應力應變和位移計算結果統計如表1所示。

表1 不同材料模型和應變率下主要結果

通過表1得出：

1)當應變率狀態相同時，即均考慮應變率和均不考慮應變率，在不同材料模型情況下，船舶撞擊三樁式海上風電平臺過程中風電平臺的最大應力都表現出一定的差異性，分段線性塑性模型工況下的最大應力(無論是碰撞過程中的最大應力還是船舶速度V=0時的最大應力)均比各向同性隨動塑性模型工況下的大，變化幅度在10%左右；材料模型對于最大應變和最大水平位移的影響較小，變化幅度在2%以內；

2)當材料模型相同時，應變率狀態對于應力應變水平位移的影響較大。具體來說，考慮應變率時，被撞風電平臺最大應力比不考慮應變率時要大。相反，相比較于不考慮應變率，考慮應變率時的最大應變、最大位移較小。

3.2 碰撞力的對比分析

圖5表示不同應變率狀態下的碰撞力時程圖。

無論是各向同性隨動塑性模型還是分段線性塑性模型，A曲線基本上處于B曲線之上，即在碰撞過程中，考慮應變率的情況下的碰撞力基本上都大于不考慮應變率情況的碰撞力，這說明考慮應變率使得結構得到了強化。雖然應變率提高了結果的承載能力，但是圖中A曲線與B曲線的變化趨勢基本相同，說明無論考慮應變率與否，結構遭受撞擊后的損傷和變形過程基本一致，說明了結構的失效順序和變形方式基本不受應變率狀態的影響。

圖6表示不同材料模型下的碰撞力時程圖。

在考慮應變率時，A曲線的最大碰撞力為58.8 MN，B曲線為58.4 MN；在不考慮應變率時，A曲線的最大碰撞力為52.3 MN，B曲線為51.7 MN。這說明當應變率狀態相同時，海上風電平臺過程中風電平臺受到的最大碰撞力基本相等。A曲線與B曲線的變化趨勢基本相同，說明在應變率狀態相同的情況下，材料模型對于碰撞力的影響是很小的。

3.3 碰撞能量的對比分析

表2表示的是在不同的材料模型和是否考慮應變率情況下，系統的能量分析情況。

表2 不同材料模型和應變率下系統能量分析匯總

從總體上來說，一方面，無論是考慮應變率還是不考慮應變率，材料模型對于計算結果尤其是碰撞力和能量轉化的影響不大。另一方面，材料應變率對于碰撞計算結果的影響很明顯，從結果上看，它提高了結構的承載能力，改善了結構的抗撞性能，但是撞擊過程中結構的失效順序和變形方式基本不受應變率狀態的影響。

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The influence of different material models and strain rates to ship and offshore wind power platform collision

Yan Wei Jiao Shuangjian He Qibin

(Engineering School, China Ocean University, Qingdao 266100, China)

Using the nonlinear display dynamics software LS-DYNA, this paper made finite element calculation to the situations of three pile wind power station suffer ship collision, researched the influence of two kinds of material models and different strain rates state to ship and three piles offshore wind power platform collision results, and through the stress and strain characteristics, displacement and energy transformation etc. though comparison of different construction, obtained the related data and conclusions.

offshore wind farm, ship collision, strain rate, material model

1009-6825(2017)16-0047-03

2017-03-28

閆 偉(1991- )，男，在讀碩士； 焦雙健(1973- )，男，博士，碩士生導師，副教授； 何其斌(1988- )，男，在讀碩士

U661.4

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