半潛支持平臺與鉆井生產平臺間碰撞響應分析

林猛，李光明，朱紹文，郝寧，郭君

1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢市 430000

隨著當今世界海洋開發的逐漸深入，各種類型的海洋平臺數量也逐年上漲，大型海洋結構物之間的碰撞事故的發生頻率也越來越高，其中大部分為海洋供應船與海洋平臺之間的碰撞，而對于海洋平臺之間的碰撞，由于碰撞物的噸位更大，碰撞位置更多變，碰撞角度更靈活，因此可能造成更為嚴重的后果。目前，國內外大多學者更關注船舶與海洋平臺間的碰撞問題。金偉良等[1]采用非線性彈簧來模擬受損構件的內凹特性，計算分析了船舶側向撞擊導管架平臺結構在不同的碰撞接觸時間下的構件損傷情況。王自力等[2]結合理論分析與數值仿真研究了船舶碰撞外部機理與內部機理之間的滯后效應。他指出，這種滯后效應與撞擊速度相關，用于分析高速撞擊問題。葉文兵[3]比較了3種數值仿真方法，研究了艙內液體、撞擊位置與撞擊速度對船舶耐撞性的影響。Amante 等[4]考慮幾何非線性與材料非線性，研究受供應船撞擊后的半潛式平臺圓筒的抗彎強度，并與完整的半潛式平臺的極限抗彎強度進行比較分析。高振國等[5]模擬了3種工況，即供應船船側沿橫向、縱向、斜向撞擊半潛式平臺立柱時，研究立柱結構的抗撞特性，并評估了撞擊對平臺整體強度的影響。Martin Storheim 等[6]運用非線性數值仿真分析了7 500 t帶有球鼻艏的供應船撞擊固定管架海洋平臺的損傷情況，主要關注損壞行為和管架是否會刺入船舶及對碰撞的影響。本文對支持平臺和鉆井生產平臺之間的碰撞展開研究，主要關注碰撞后平臺結構的碰撞力、損傷、能量轉化情況，為平臺的損傷評估提供一定參考。

1 支持平臺與鉆井平臺的有限元模型

支持平臺與生產平臺之間的碰撞一般發生在支持平臺靠泊生產平臺進行補給作業的過程中，如圖1所示。半潛式支持平臺處于靠泊連接就位位置，和生產平臺之間通常保持數十米距離。此時，支持平臺在自身系泊系統作用下，和生產平臺近距離靠泊連接，以進行人員和物資的轉運。在此靠泊過程中，由于操作失誤或在強烈的風、浪、流作用下，支持平臺可能會以一定速度和一定角度撞向被補給平臺，從而產生嚴重后果。

圖1 支持平臺靠泊生產平臺示意

1.1 支持平臺和鉆井平臺主要參數

支持平臺和鉆井平臺的結構尺寸有所差異，但整體結構組成相似。平臺的下浮體采用簡單箱形，下浮體主要由外板和內結構組成；上船體也采用規則的箱形結構，上船體下部有4個高度相等的方立柱，立柱主要由外板、水密平臺、非水密平臺、水密通道圍壁、水密艙室、垂向加強筋和水平加強筋組成。支持平臺和鉆井平臺的主要結構參數如表1所示。

表1 支持平臺和鉆井平臺的主要結構參數

支持平臺和鉆井平臺有限元模型如圖2、3所示。

圖2 支持平臺有限元模型

圖3 鉆井平臺有限元模型

網格劃分和網格尺寸對有限元分析計算的精度和計算時間影響較大，根據K?rgesaar 等[7]得到的結論：碰撞區域網格尺寸與結構厚度的比值在2～20結果可靠。為提高計算速度，將碰撞區的網格細化為0.03 m，可以在保證計算精度的基礎上提高計算效率，最終建立的支持平臺和鉆井平臺的節點數約為80 000個，單元數約為90 000個。

1.2 支持平臺和鉆井平臺的碰撞工況

圖4為兩平臺相撞的示意圖，碰撞角度分別為0°、30°和90°?？紤]到正常海況下平臺的運動和惡劣海況下海洋平臺間相接觸時風、浪、流等對海洋平臺運動的影響，碰撞速度分別為3和0.6 m/s，分別對應高能碰撞情況和低能碰撞情況。本文將2個平臺的吃水高度均設置在作業吃水狀態，2個平臺相撞的6個具體工況如表2所示。

圖4 碰撞工況示意

表2 支持平臺撞擊鉆井平臺工況

1.3 數值模擬主要參數設置

支持平臺-鉆井平臺的撞擊區材料模型采用雙線性彈塑性動態模型即Cowper-Symonds（MAT24）彈塑性材料，材料參數如表3所示[8]。

表3 彈塑性材料參數

在碰撞過程中，周圍流體在短時間內將產生較大的阻力阻礙平臺的運動響應。在數值仿真時，對這一現象的描述一般有2種方法，一是準確建立流體模型，采用流固耦合算法計算；二是采用附加質量法。王自力等[9]通過對兩船相撞的數值模擬，得出流固耦合算法的計算時間幾乎占用了整個計算時間的98%，而應用附加質量法會使計算時間大大減少，且最大誤差不超過10%。本文采用附加質量法來描述結構周圍流體的作用，選取的附連水質量系數如表4所示[10]。其中斜角度撞擊時的附連水質量系數按照差值方法取為0.17。

表4 附連水質量系數

2 平臺碰撞仿真結果分析

2.1 碰撞力對比分析

SP-DP1～SP-DP6這6種工況包含0.6和3 m/s 2種初始碰撞速度，3種平臺撞擊角度。圖5為SP-DP1至SP-DP6的撞擊力時歷曲線，其中（a）、（b）、（c）為碰撞速度為3 m/s時碰撞力時歷曲線，（d）、（e）、（f）為碰撞速度為 0.6 m/s時碰撞力時歷曲線。

圖 5 碰撞力時歷曲線

從圖5可以看出碰撞力曲線呈現明顯振動，這是由于碰撞時結構存在局部振動，其擬合曲線可以代表碰撞力的發展趨勢。從碰撞時間來看，碰撞時間大致在1～4 s。碰撞速度越大，兩平臺的碰撞接觸時間越長。對于大型海洋平臺來說，其自搖周期大致在20 s左右，因此碰撞時間大致為平臺自搖周期的1/20～1/5。在碰撞速度相同時，平臺間呈0°夾角時碰撞力的曲線最陡峭，碰撞力峰值也最大；30°角次之；90°夾角相撞碰撞力最小。這是由于SP-DP1和SP-DP4碰撞屬于正碰，在水平面內不發生旋轉，所有耗散能量都需要正面碰撞消耗；其他工況平臺在碰撞發生后會以碰撞接觸點為圓心在水平面內發生旋轉，動能有很大一部分由平動動能轉化為轉動動能，因此碰撞力較小。圖5（c）曲線中SP-DP3的撞擊力在碰撞初期迅速增加，當撞擊力維持一段時間，原因是支持平臺尖艏結構強度不足，在此碰撞力下持續變形。

2.2 結構損傷對比分析

碰撞角度決定了平臺之間的碰撞區域，使兩平臺接觸面積和接觸結構均不相同，圖6為支持平臺撞鉆井平臺的損傷變形云圖，其中圖6（a）、（b）為 SP-DP1下結構的變形云圖，（c）、（d）為SP-DP2下結構的變形云圖，（e）、（f）為 SP-DP3下結構的變形云圖。

圖6 支持平臺撞鉆井平臺的應力云圖

從圖 6（a）、（b）中可知，SP-DP1下支持平臺涉及到的主要變形為下浮體外板面的拉伸變形和內部桁材的褶皺變形。鉆井平臺下浮體外板變形的位置是與支持平臺的艙壁板和強框等桁材相碰的位置。由于重心高于撞擊區，碰撞后上船體相互靠攏，故下浮體上邊緣成為支點，其應力值更高，是結構發生破壞的主要位置。

如圖 6（c）、（d）所示，兩平臺以 30°角發生碰撞后，支持平臺的下浮體艏側面產生凹陷變形，隨著碰撞區域逐漸擴大，應力集中在凹陷區邊緣，凹陷區中心不再直接與鉆井平臺發生接觸，碰撞后期下浮體艏側板完全內凹后，碰撞應力主要由艏側板四周相鄰的外板結構承擔。鉆井平臺的應力集中在碰撞區的4個角處。原因是支持平臺產生內凹后，4個角的結構剛度最大，構成4個尖角，鉆井平臺在這4個角對應位置處出現穿透失效。

SP-DP3的兩平臺結構應力及變形情況如圖 6（e）、（f）所示，SP-DP3鉆井平臺和支持平臺的結構變形和失效形式與SP-DP2類似，區別在于SP-DP3碰撞區域較小，應力更集中。

2.3 能量轉化對比分析

表5為各種工況下碰撞結束后系統的總能量、摩擦能和系統動能、內能占總能量比例分配情況。支持平臺動能的耗散主要轉化為鉆井平臺的動能和兩平臺結構變形吸收的內能。其中動能占比超過一半，內能占比較小。說明碰撞后兩平臺仍繼續運動一段時間直到動能完全耗散。在0°角正碰時，由于兩平臺接觸面積更大，參與吸能的構件更多，所以吸能比例更高；而在斜角度撞擊時，平臺結構吸能比例更小；90°角撞擊時，接觸面積最小，因此形成更嚴重的局部損傷。

表5 碰撞結束后系統能量分配情況

圖7為鉆井平臺的下浮體外板、下浮體內結構和立柱結構吸能時歷曲線。

圖7 鉆井平臺碰撞區域各結構吸能情況

從圖中可知，只有平臺側面正碰的時候平臺下浮體的外板和內結構變形所吸收的能量是相近的，并且內結構吸收的能量更多一些。而另外2種工況下，均是外板吸收了更多的能量，尤其是夾角為30°時，二者相差接近5倍。這說明平臺碰撞時各結構的變形吸能情況由碰撞區域范圍和碰撞位置結構決定。

3 結論

本文應用LS-DYNA軟件對支持平臺與鉆井生產平臺間的碰撞過程進行了數值模擬，分析得到了碰撞力、結構損傷、結構吸能等碰撞響應特性，總結規律如下：

1）當碰撞速度一定時，兩平臺以0°角正碰時碰撞力最大，30°角時次之，90°角時最小，說明平臺間碰撞的碰撞力隨碰撞角度的增大而增大。

2）平臺的初始動能主要由碰撞后兩平臺的變形損傷所吸收，其中0°角正碰時，兩平臺接觸面積更大，吸能比例更高，而在斜角度撞擊時，平臺結構吸能比例更小，但局部損傷更為嚴重。