半潛式生活支持平臺碰撞敏感性研究

傅興云，陸響暉，谷家揚，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.中國船舶工業集團公司第七O八研究所，上海 200011；3.江蘇科技大學 海洋裝備研究院, 江蘇 鎮江 212003；4.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院, 江蘇 鎮江 212003)

0 引言

半潛式生活支持平臺是專為鉆井平臺服務的輔助平臺，靠泊跟隨狀態時動力定位或系泊系統的失效可能導致支持平臺與鉆井平臺的碰撞。為了保障其靠泊作業的安全，研究生活支持平臺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-平臺碰撞，再到現在平臺與平臺的碰撞，經過了幾十年的發展，國內外的研究已十分深入。OZGUC等[1]定義了供應船碰撞海上浮式生產儲油船(FPSO)船首、船舷、船尾等5種碰撞場景，采用大變形有限元法對FPSO碰撞后的船體結構進行分析。STRONGE[2]在《碰撞力學》書中總結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化分析方法，用于快速預測船舷結構在前傾型船艏碰撞下的響應。LEHMANN等[4]通過將加筋板碰撞實驗與有限元仿真結果進行對比，提出了失效應變與網格尺寸的經驗關系。陳練等[5]、劉俊峰等[6]也從船-船碰撞角度進行外部機理探究，提出了碰撞中動能耗散的估算方法。于兆龍[7]通過對雙層底3種主要構件的結構變形損傷機理進行深入研究，提出了應用于船舶擱淺事故的結構響應快速估算方法。高振國[8]基于有限元方法研究了FPSO舷側結構抗撞性能及船體結構在碰撞事故中的變形機理，提出了對應的簡化分析方法。

本文針對某標準型半潛式生活支持平臺，應用數值分析方法，通過不同碰撞速度與不同碰撞位置下的對比分析，研究了生活支持平臺的碰撞敏感性。

1 生活支持平臺與鉆井平臺碰撞場景

1.1 計算模型的建立

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

圖1 半潛式生活支持平臺有限元模型

本文采用浮箱、橫撐、立柱、甲板室的完整平臺有限元建模，充分保證了分析計算的準確性。同時在保證計算精度的前提下，對部分次要構件進行了簡化處理。甲板室與浮箱碰撞區域內所有構件采用80 mm網格尺寸進行局部網格細化，非碰撞區域采用600 mm粗網格尺寸建模[9]。對應半潛式生活支持平臺和深水鉆井平臺的主尺度見表1。

圖2 鉆井平臺有限元模型

表1 半潛式生活支持平臺和鉆井平臺主要參數

1.2 敏感性研究碰撞場景的確定

半潛式生活支持平臺靠泊作業過程中，由于動力定位或系泊系統的失效可能會導致與鉆井平臺發生碰撞。在支持平臺與鉆井平臺碰撞場景中，碰撞速度與碰撞位置對支持平臺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景，對半潛式生活支持平臺進行了碰撞敏感性研究。

生活支持平臺碰撞鉆井平臺時的撞擊速度大小與碰撞類型、靠泊控制及當時作業海況有關，其撞擊的初始速度具有不確定性。本文選取典型碰撞位置(生活支持平臺棧橋基座碰撞鉆井平臺甲板室)，對生活支持平臺以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來研究其對撞擊結果影響的規律。另外,對生活支持平臺1.34 m/s典型碰撞速度下的正面側對側工況(生活支持平臺棧橋基座沿Y向對中正撞鉆井平臺甲板室)與30°角側對側工況(生活支持平臺浮箱以30°角側向撞向鉆井平臺浮箱)進行對比分析，研究碰撞位置與角度對支持平臺碰撞特性的影響。不同碰撞工況下參數設置見表2。

表2 支持平臺碰撞敏感性分析參數

2 碰撞速度敏感性分析

2.1 碰撞力對比分析

圖3為生活支持平臺以不同初始撞擊速度撞擊鉆井平臺的碰撞力-時間曲線。由圖3可知，發生接觸后，在極短時間內便產生相當大的碰撞力，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。碰撞速度達到3.86 m/s時，碰撞力峰值遠大于低速碰撞的最大碰撞力。這是因為棧橋基座與甲板結構不足以抵抗3.86 m/s速度下支持平臺的動能，發生大面積破潰，致使生活支持平臺的立柱、浮箱與鉆井平臺發生碰撞，從而導致碰撞力的激增，直到支持平臺剩余動能不足以抵抗結構彈塑性變形時，碰撞力出現大幅減小。支持平臺速度較低時，碰撞力曲線比較光順。這是因為在低速情況下，支持平臺棧橋基座與鉆井平臺甲板室以相互擠壓為主，碰撞現象表現得不是很明顯；而速度較高時碰撞力曲線非線性特征更加明顯，在高能碰撞下，支持平臺棧橋基座的結構與單元快速失效，碰撞力反復出現加載與卸載現象。

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基本一致，只是峰值不同，說明碰撞力-撞深曲線走勢與生活支持平臺的初速度無關；初速度為3.86 m/s時，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基本一致，之后由初始時刻的線性階段快速進入非線性階段，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，材料快速進入到塑性變形階段而產生塑性變形損傷。

圖3 不同撞擊初速度下的碰撞力-時間曲線圖

2.2 結構損傷對比分析

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，碰撞接觸區的變形和損傷區域也不斷增大，而對于非碰撞區的影響相當小，碰撞的局部性特點非常明顯。0.6 m/s撞擊速度時，棧橋基座的圓筒與水平框架出現較大凹陷，但棧橋基座外板和平臺板未出現較大形變；1.34 m/s撞擊速度時，棧橋基座的圓筒、水平框架、外板和平臺板均出現較大凹陷，但未出現較大破潰；撞擊速度達到3.86 m/s時，棧橋基座的圓筒、水平框架、外板和平臺板均出現較大破潰，棧橋基座結構幾乎完全損毀。

從圖5～圖6中還可看出，生活支持平臺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，最容易發生斷裂破壞，且撞擊速度越大，結構的損傷越嚴重。0.60 m/s撞擊速度時，生活支持平臺甲板室外板只是發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，甲板室外板部分結構達到最大塑性失效應變，甲板室外板發生破裂，且結構的變形較大；3.86 m/s撞擊速度時，甲板室已承受不住這種巨大能量的撞擊，出現更大區域的破壞。

圖5 棧橋基座不同碰撞速度下損傷變形圖

圖6 甲板室不同碰撞速度下損傷變形圖

2.3 能量轉化對比分析

表3為系統及棧橋基座在不同碰撞速度下碰撞結束時的吸能結果。

表3 不同碰撞速度下系統及棧橋基座變形能吸收結果

由表3可知：當碰撞速度不大于1.34 m/s時，隨著碰撞速度的增加，生活支持平臺所吸收的變形能占比在上升。這說明生活支持平臺撞擊速度越大，平臺的塑性變形越大，所吸收的變形能也越大。而當碰撞速度大于1.34 m/s后，生活支持平臺所吸收的變形能占比呈現下降趨勢。這是因為棧橋基座能夠吸收的變形能由棧橋基座的結構強度決定，棧橋基座達到抵抗碰撞變形極限后，無法吸收更多變形能，而平臺總能量是增加的，所以變形能占生活支持平臺初始動能比值呈現下降趨勢。

在低速碰撞時，棧橋基座吸能結構為圓筒和水平框架，此時對棧橋基座外板的破壞較為輕微。當速度達到典型碰撞速度(1.34 m/s)時，棧橋基座外板對撞擊產生的抵抗力在快速增加，對整體吸能貢獻增大，吸能效果明顯。當速度達到最大碰撞速度時，棧橋基座外板、圓筒和水平框架結構由于大面積破潰，對撞擊產生的抵抗力均呈現下降趨勢，此時生活支持平臺的剩余動能更多地被甲板室所吸收。

3 碰撞位置敏感性分析

3.1 碰撞力對比分析

圖7為生活支持平臺與鉆井平臺不同撞擊位置下的碰撞力-時間曲線圖。由圖7可知，初始撞擊速度相同的情況下，生活支持平臺棧橋基座對中正撞時碰撞的劇烈程度更高，碰撞力峰值更大。生活支持平臺浮箱30°斜向撞擊鉆井平臺浮箱的劇烈程度明顯低于對中正撞。這是由于30°斜向撞擊為非對心碰撞，生活支持平臺與鉆井平臺以碰撞接觸面為中心發生旋轉，更多的初始動能轉化成了2座平臺的動能，大幅減少了變形能的吸收。對比2種碰撞的持續時間可知，對中正撞的持續時間明顯長于30°斜向碰撞。這是由于30°斜向撞擊產生的旋轉使2個平臺很快分離。

圖7 不同撞擊位置下的碰撞力-時間曲線圖

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結束后，出現一段平穩期，隨后又線性增長。不同的是，對中正撞時平穩期較長，而30°斜撞平穩期較短，這是由碰撞位置自身結構形式與強度決定的。對中正撞工況棧橋基座只有部分結構參與抵抗碰撞力的形變作用，當沒有更多結構參與抵抗碰撞時，碰撞力呈現較為穩定的狀態；而30°斜撞工況浮箱的結構很快都參與到抵抗碰撞形變的作用中，碰撞力短暫平穩后又開始增長，從而說明浮箱的結構要比棧橋基座的更為可靠，更能有效地抵御碰撞。在碰撞力達到峰值后，支持平臺的動能不足以使生活支持平臺和鉆井平臺的單元發生破壞，鉆井平臺與生活支持平臺開始分離，從而碰撞力出現卸載現象。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本身所固有的抗撞特性。

3.2 結構損傷對比分析

圖9～圖14為棧橋基座、甲板室和浮箱在碰撞結束后的損傷變形圖。從圖中看出，支持平臺對中正撞鉆井平臺時，位于碰撞接觸區的棧橋基座損傷變形嚴重。在整個碰撞過程中，伴隨著構件的塑性變形失效，棧橋基座和棧橋基座連接處甲板室結構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，棧橋基座內部的水平框架受到擠壓，發生塑性形變，形成褶皺并失效。支持平臺30°斜向撞擊鉆井平臺時，碰撞接觸區的浮箱受到碰撞的擠壓作用，浮箱外板和平臺板發生塑性彎曲，形成褶皺并失效，而浮箱內部結構只有一個位于碰撞接觸區域的橫框架發生較大形變，而遠離碰撞區浮箱外板及其他結構均未出現明顯塑性形變。

圖8 不同撞擊位置下的碰撞力-撞深曲線圖

3.3 能量轉化對比分析

表4為系統及碰撞區域結構在不同碰撞位置與角度下碰撞結束時的吸能轉化結果。

圖9 棧橋基座損傷變形圖

圖10 甲板室損傷變形圖

圖11 甲板室內部結構損傷變形圖

圖12 浮箱損傷變形圖

圖13 浮箱損傷變形圖

圖14 浮箱內部結構損傷變形圖

表4 不同碰撞位置下的系統及碰撞區域結構變形能吸收結果

碰撞位置棧橋基座浮箱系統初始動能 /MJ61.9460.25系統動能占系統總能百分數/%43.8072.17系統變形能占系統總能百分數/%48.5010.64動能占生活支持平臺總能量百分數/%90.4219.24變形能占生活支持平臺總能量百分數/%9.3380.73棧橋基座/浮箱變形能占系統變形能/%78.2699.67外板占棧橋基座/浮箱變形能百分數/%32.0079.54強框架占棧橋基座/浮箱變形能百分數/%37.9120.24

由表4可知，支持平臺對中正撞鉆井平臺時，初始動能更多地轉化成系統和生活支持平臺棧橋基座的變形能；而支持平臺浮箱30°斜向撞擊鉆井平臺浮箱時，由于30°撞擊為非對心碰撞，生活支持平臺與鉆井平臺以碰撞接觸面為中心發生旋轉，更多的初始動能轉化成了2座平臺的動能，大幅減少了變形能的吸收。總體而言，對中正撞時，變形能是生活支持平臺初始動能耗散的主要去向；而30°斜向撞擊時，動能成為生活支持平臺初始動能耗散的主要去向。

對中正撞時，處于碰撞區域的支持平臺棧橋基座變形能占支持平臺變形能的大部分，其中棧橋基座外板與水平框架吸收的變性能占多數；30°斜向撞擊時，處于碰撞區域的支持平臺浮箱變形能占支持平臺變形能的絕大部分，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構，是吸收能量與傳遞能量的主要構件，強框架作為支撐外板的主要構件，也承擔著重要的吸能作用。

4 結論

(1)碰撞速度是影響碰撞損傷結果的重要因素，碰撞速度越大，碰撞力峰值就越大，結構損傷變形程度和范圍也就越大。不同碰撞速度下，碰撞力的變化趨勢大致相同，主要由碰撞區域的結構形式決定。

(2)隨著碰撞速度的增加，平臺所受沖擊與運動響應越大，平臺吸收動能所占比值在增大，變形能比值在下降。

(3)生活支持平臺對中正撞鉆井平臺時，初始動能更多的轉化成生活支持平臺棧橋基座的變形能，結構損傷嚴重；30°斜向撞擊時為非對心碰撞，其劇烈程度明顯低于對中正撞，碰撞力峰值小很多，更多的初始動能轉化成了2座平臺的動能，大幅減少了變形能的吸收。

(4)30°斜向撞擊產生的旋轉使2個平臺很快分離，其碰撞持續時間相較于對中正撞明顯縮短。