計及系泊系統作用下半潛式生活支持平臺碰撞特性研究

谷家揚，凌 晨，李天佑，董智新，羅貴星

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003；2.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為鉆井平臺服務的輔助平臺，具有相似的結構形式，但其設置有更大的空間用于生活居住或存放工程設備和鉆井設備，以提高鉆井平臺的生產效率。在靠泊連接狀態下，平臺定位要求是：除了生活支持平臺自身系泊系統外，還需要在生活支持平臺和鉆井平臺之間設計復雜的連接纜系統，或者應用動力定位系統跟隨鉆井平臺，來限制平臺間的耦合相對運動，保障平臺靠泊安全。動力定位或系泊系統的失效都可能導致支持平臺與鉆井平臺的碰撞，此時系泊系統對初始動能的吸收效果不可忽略。為了明確系泊系統在生活支持平臺與鉆井平臺碰撞過程中起到的作用，有必要通過計及系泊系統與忽略系泊系統的碰撞進行對比分析研究。

系泊系統具有復雜的非線性特征，關于它的研究一直在深入。趙戰華[1]研究了張緊式系泊系統布置與參數對系泊性能的影響。張維[2]運用Aqwa 軟件計算了半潛式平臺的水動力性能，利用Greator 軟件建立實體模型，基于其運動特性建立了力學模型，實現了半潛式平臺的視景仿真。關于碰撞的研究至今為止已有幾十年，近年來，Alsos H S[3]和Alsos et al[4]將試驗與有限元方法結合，對帶有加強筋的板的斷裂進行了預測研究。Buldgen[5]首次在船-船碰撞中使用超單元方法，研究分析了船體結構的抗撞能力。Yifeng M[6]通過研究碰撞力與船首撞深的關系，提出了用于船-橋碰撞的簡化分析方法。Chao J[7]在研究導管架平臺與船舶碰撞機理的基礎上，針對樁腿受到碰撞時的彎曲變形，提出了預測樁腿抗撞能力的簡化分析方法。金偉良[8]對導管架平臺碰撞過程中的受損構件進行了靜力強度計算，利用非線性彈簧模擬構件的損傷凹陷，通過形變-時間曲線反推出碰撞力的大小。Hu Z[9]將簡化解析法、試驗法、非線性動態有限元法結合起來，對船首撞擊半潛式鉆井平臺的外部機理和能量轉化情況進行了分析研究。

本文的研究對象是某標準型半潛式生活支持平臺，應用數值分析方法對計及系泊系統作用下生活支持平臺與鉆井平臺典型碰撞工況的碰撞特性進行了研究。以碰撞后速度變化、結構變形、碰撞力和能量轉化等方面為重點，進行了對比分析，研究系泊系統對平臺碰撞特性的影響，為半潛式生活支持平臺的系泊系統設計、靠泊運動控制技術研究、平臺抗撞性能研究提供一定的參考。

1 有無系泊系統生活支持平臺與鉆井平臺對比碰撞場景建立

1.1 系泊系統設置

本文選用的半潛式生活支持平臺系泊系統設計水深為1 500 m，采用8 點對稱定位系統和動力定位系統，使用76 mm R4 無擋錨鏈和160 mm 聚酯纜的復合系泊纜。半潛式鉆井平臺系泊系統設計水深為1 500 m，采用8 點對稱定位系統和動力定位系統，使用97 mm R5 錨鏈和190 mm 合成纜的復合系泊纜。系泊布置如圖1 所示，系泊參數如表1 所示。

圖1 生活支持平臺與鉆井平臺系泊布置示意圖Fig.1 Mooring arrangement of life support platform and drilling platform

表1 系泊參數匯總表Tab.1 Summary of mooring parameters

本文采用有限元法，在Aqwa 軟件中建立2 座平臺濕表面模型，利用Awqa-line 模塊對其系泊系統進行分析，得到位移曲線和載荷曲線，運用Matlab 軟件擬合出系泊纜水平方向的位移-載荷曲線。在LS-Dyna 軟件中建立Spring_Nonlinear_Elastic（非線彈性彈簧）材料，輸入不同方向系泊纜的位移-載荷關系函數，利用Translational Spring（平動彈簧）等效模擬出系泊纜對生活支持平臺與鉆井平臺水平方向上的約束作用。彈簧單元水平設置，長度為300 m（系泊纜長度的10%），一端與平臺立柱導纜孔相連，另一端剛性固定。Aqwa 軟件中平臺系泊模型如圖2 所示。

1.2 計算模型的建立

本文采用SpaceClaim-HyperMesh 軟件聯合建立了半潛式生活支持平臺與鉆井平臺的有限元模型，如圖3所示。

圖2 生活支持平臺與鉆井平臺系泊模擬示意圖Fig.2 Schematic diagram of life support platform and drilling platform mooring simulation

圖3 半潛式生活支持平臺與鉆井平臺有限元模型Fig.3 Finite element model of semi-submersible life support platform and drilling platform

考慮到生活支持平臺與鉆井平臺發生碰撞后運動慣性的影響，為了保證分析計算的準確性，本文采用甲板室、立柱、橫撐、浮箱的完整平臺有限元建模。但也在滿足仿真精度的前提下，對結構次要構件進行了簡化處理。對碰撞區域的所有構件進行局部網格細化，網格尺寸為80 mm，約為平均厚度的6 倍[10]。非碰撞區域采取粗網格建模，參考尺寸為600 mm。半潛式生活支持平臺和深水鉆井平臺的主尺度如表2 所示。

表2 半潛式生活支持平臺和鉆井平臺主要參數Tab.2 Main parameters of semi-submersible life support platform and drilling platform

1.3 碰撞典型對比工況的確定

穿梭油輪串靠浮式儲油平臺的碰撞事故與生活支持平臺靠泊鉆井平臺碰撞事故相似，所以下文生活支持平臺與鉆井平臺的碰撞工況將參考穿梭油輪串靠浮式儲油平臺的碰撞事故進行制定。基于碰撞概率模型的典型碰撞模式分析，將生活支持平臺發生向前的過分偏移引起的碰撞，分為漂移碰撞和動力碰撞。從碰撞模式和碰撞概率模型分析可知，碰撞嚴重程度與碰撞時海洋環境條件密切相關，不利風浪流組合對碰撞初速度起著決定性的影響。風致漂移導致碰撞的發生具有主導影響，在風浪流導致的速度極值組合中，都考慮到風的影響，共有3 種組合情況：風致漂移和流速的疊加、風和浪組合、風浪流組合。

1）根據歷史經驗和概率組合極值理論，取1.34 m/s作為典型碰撞速度。

2）碰撞位置選擇則依據生活支持平臺和生活支持平臺間的靠泊狀態連接系統，選取生活支持平臺棧橋基座對中正撞鉆井平臺甲板室。

3）生活支持平臺和鉆井平臺材料均為彈塑性材料。以最大等效塑性應變準則作為碰撞過程中結構的失效準則，依據Lehmann et al[11]通過加筋板碰撞實驗與有限元仿真計算對比，提出的失效應變與網格尺寸的經驗關系，選取的失效應變值為0.187 5。材料模型采用雙線性彈塑性動態模型。

4）采用附加質量法來考慮水對生活支持平臺和鉆井平臺的影響，利用AQWQ 軟件中AQWQ-Line 模塊計算得到2 座平臺典型工況所需的Y 方向的附加質量，2 座平臺的附連水質量系數約為1.3。

有無系泊系統生活支持平臺-鉆井平臺碰撞典型工況碰撞參數設置對比匯總如表3 所示。

2 計算結果與對比分析

2.1 碰撞后速度與形變分析

圖4 為碰撞過程中有無系泊生活支持平臺速度時歷對比曲線。由圖可知，在碰撞的開始階段（1.5 s內），速度時歷曲線基本重合。這是因為在碰撞初始階段，支持平臺與鉆井平臺位移均較小，系泊系統尚未產生較大作用；1.5～6.7 s 這段時間內，隨著平臺位移的增大，系泊系統逐漸對平臺的水平運動起到限制作用；6.7～9.1 s 這段時間內，無系泊生活支持平臺速度約為有系泊時的2 倍；9.1～15 s 內，2 次碰撞后的無系泊生活支持平臺速度約為有系泊生活支持平臺速度的2 倍，可以明顯看出系泊系統對支持平臺和鉆井平臺水平位移的約束作用。

表3 有無系泊系統生活支持平臺-鉆井平臺碰撞典型工況參數設置對比匯總表Tab.3 Comparisons of typical collision conditions between support platform and drilling platform

圖4 生活支持平臺速度-時間曲線Fig.4 Velocity-time comparison curve of life support platform

圖5 生活支持平臺形變-時間曲線Fig.5 Deformation-time comparison curve of life support platform

圖5 為有無系泊生活支持平臺形變時歷對比曲線。可以看出，隨著碰撞過程的進行，外板形變逐漸增加，生活支持平臺形變曲線趨勢相似，峰值不同，無系泊的支持平臺最大形變為2.771 m，有系泊的支持平臺最大形變為2.836 m。這是因為系泊系統對支持平臺產生約束作用的同時也對鉆井平臺產生約束，碰撞接觸后，由于鉆井平臺的系泊系統加劇了滯后效應，減緩了鉆井平臺的速度變化，因此造成了更大的結構變形。

2.2 碰撞力分析

有無系泊的支持平臺碰撞力對比時歷曲線如圖6所示。由于碰撞力是結構本身的固有特性，主要由碰撞區域的結構形式和碰撞速度的大小決定，所以系泊系統對碰撞力隨時間的變化趨勢影響較小，碰撞力時歷曲線變化趨勢也相似，首次碰撞持續時間6.7 s。在1.5 9 s 時，無系泊的支持平臺碰撞力達到峰值1.845×107N，而有系泊的支持平臺碰撞力在1.55 s 時達到峰值1.912×107N。由此可以看出，系泊系統對于碰撞力的影響主要體現在碰撞力峰值的大小以及碰撞力到達峰值的時間。

圖6 碰撞力-時間曲線Fig.6 Force-time contrast curve

圖7 為有無系泊的支持平臺碰撞力隨形變變化的對比曲線。2 條曲線在形變達到1 m 以后出現較大區別，主要體現在系泊纜對于平臺的運動產生的滯后效應，加快了碰撞區域結構的形變速度，在碰撞力-形變曲線圖上的體現是相同的形變下有系泊的支持平臺碰撞力較低。

圖7 碰撞力-形變曲線Fig.7 Force-deformation contrast curve

2.3 能量轉化分析

2.3.1 系統總能量時歷分析

生活支持平臺和鉆井平臺組成的碰撞系統的總能量主要來自生活支持平臺的初始動能以及生活支持平臺附連水質量所提供的動能。計及系泊系統時，支持平臺和鉆井平臺在碰撞過程中，初始動能除了轉化為2 座平臺的變形能和動能，水下的系泊系統也將吸收部分能量。

圖8 為有無系泊碰撞系統總能量對比曲線圖。從該曲線圖可看出碰撞開始前，有無系泊的碰撞系統總能量均為6.194×107J。從碰撞接觸至5.25 s 內，碰撞系統總能量數值相等，變化趨勢相同；5.25～15 s，不考慮系泊系統的碰撞系統總能量出現略微減少，計及系泊系統的碰撞系統總能量則出現較為明顯的下降，損失了4.7×105J 能量，為系統總能量的0.759%，這部分能量主要由單元沙漏能耗散。圖9 為支持平臺系泊纜變形能曲線圖，由圖可以看出初始動能中有1.06×106J轉化為系泊纜的變形能。

圖8 有無系泊碰撞系統總能量對比圖Fig.8 Total energy comparison of system

圖9 支持平臺系泊纜變形能曲線圖Fig.9 Spring energy of support platform

2.3.2 平臺各類型能量時歷分析

圖10 為有無系泊支持平臺動能對比曲線圖。可知，不考慮系泊系統的生活支持平臺從碰撞開始到第1 次碰撞結束即6.7 s（碰撞力為0 的時刻），生活支持平臺動能損失了4.02×107J。生活支持平臺損失的動能主要由生活支持平臺結構和鉆井平臺結構的彈塑性變形、生活支持平臺和鉆井平臺的運動及周圍水的強迫運動等吸收，周圍水的影響已采用附連水質量加以考慮。對比計及系泊系統的生活支持平臺，不考慮系泊系統時生活支持平臺的剩余動能比計及系泊系統時多3.46×105J。

圖10 有無系泊支持平臺動能對比曲線Fig.10 Kinetic energy comparison of life support platform

圖11 為有無系泊支持平臺變形能對比曲線圖。可知，在碰撞時間為6.7 s 時，不考慮系泊系統的生活支持平臺的塑性變形能是2.503×107J，占生活支持平臺總能量的55.66%，這部分能量主要依靠于生活支持平臺棧橋基座和連接棧橋基座的甲板室結構發生凹陷、桁材彎曲、板材褶皺失效以及整體變形來吸收。對比計及系泊系統的生活支持平臺，不考慮系泊系統時生活支持平臺吸收的變形能比計及系泊系統時多3.134×105J。

圖11 有無系泊支持平臺變形能對比曲線Fig.11 Internal energy comparison of life support platform

綜合圖10 和圖11 來看，考慮系泊系統后，支持平臺的剩余動能和吸收的變形能均小于不考慮系泊系統的工況，兩者差值的和約等于計及系泊系統時支持平臺總能量比不考慮系泊系統時少的6.89×105J。

2.3.3 生活支持平臺各結構吸能時歷分析

圖12 為有無系泊棧橋基座、甲板室和其他結構變形能吸收曲線對比圖，圖13 為有無系泊支持平臺甲板室吸能曲線對比圖。兩圖中的曲線反映了系泊系統對生活支持平臺在碰撞過程中甲板室和棧橋基座以及平臺其他結構吸能情況的影響。圖12 顯示計及系泊系統時，生活支持平臺除了碰撞接觸區域以外的結構吸收的變形能均小于不考慮系泊系統的工況，但2 種工況的變形能吸收曲線變化趨勢相似，體現了生活支持平臺本身所固有的抗撞特性。圖13 顯示計及系泊系統時，生活支持平臺甲板室吸能除了變形能略低以外，其他形式能量都幾無差別。從能量轉化與吸收角度來看，系泊系統以彈性勢能的形式吸收了部分初始動能，系泊系統對于平臺運動響應的影響主要為平臺運動的滯后效應，因此反而增加了支持平臺碰撞區域的結構損傷。

圖12 有無系泊棧橋基座、甲板室和其他結構變形能曲線對比圖Fig.12 Comparison of deformation energy of gangway,deck and other structure

圖13 有無系泊支持平臺甲板室吸能對比圖Fig.13 Energy absorption contrast of deck

3 結 語

本文針對計及系泊系統時，半潛式生活支持平臺棧橋基座以1.34 m/s 速度對中正撞半潛式鉆井平臺甲板室的典型工況進行了數值仿真，并與不考慮系泊系統的工況從碰撞后速度、形變、碰撞力、能量轉化等方面進行了對比分析，主要得到以下結論：

1）從碰撞過程中的速度以及形變對比分析可知，系泊系統對平臺的約束作用主要表現為平臺運動的滯后效應，減緩了支持平臺與鉆井平臺的速度變化，加快并加劇了碰撞對棧橋基座結構造成的損傷，造成了碰撞區域更大的結構變形。

2）從碰撞過程中的碰撞力變化對比分析可知，系泊系統對于碰撞力的影響主要體現在碰撞力峰值的大小以及碰撞力到達峰值的時間。系泊纜對于平臺的運動產生滯后效應，加快了碰撞區域結構的形變速度，相同的形變下考慮系泊時支持平臺碰撞力較低。

3）從碰撞過程中的能量轉化對比分析可知，系泊系統吸收了部分初始動能，計及系泊的支持平臺的剩余動能和吸收的變形能均小于不考慮系泊系統的工況，但是由于系泊系統產生的滯后效應，反而增加了支持平臺碰撞區域的結構損傷。