水下管匯入水沖擊數(shù)值模擬研究

曹先凡，王姝媛，王 琮，張愛(ài)霞，姚志廣

1.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，天津 300451

2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

3.中國(guó)石油天然氣銷(xiāo)售公司，北京 100007

水下管匯是海洋工程的重要組成部分，其安裝下放時(shí)固定于框架之上，入水階段受到海水的沖擊，框架強(qiáng)度安全是保證其順利就位的關(guān)鍵因素。海水沖擊下管匯框架的響應(yīng)分析需要考慮框架和海水之間的流固耦合作用。拉格朗日分析（Lagrangian analysis）中材料與網(wǎng)格關(guān)聯(lián)，適用于結(jié)構(gòu)變形的模擬。歐拉分析（Eulerian analysis）方法中網(wǎng)格固定，材料在單元間流動(dòng)，可有效解決流體問(wèn)題。管匯入水需要考慮結(jié)構(gòu)和流體交界面模擬問(wèn)題，耦合歐拉-拉格朗日算法（CEL）通過(guò)歐拉-拉格朗日的定義和求解成為解決該問(wèn)題的重要手段。通用有限元軟件ABAQUS 開(kāi)發(fā)的CEL 模塊已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航天及海洋工程等眾多領(lǐng)域，該模塊可以模擬固體-泥土[1-6]、固體-液體[7-11]、固體-空氣[12-17]之間的相互作用。

本文基于ABAQUS CEL 數(shù)值模擬方法，對(duì)管匯入水時(shí)框架的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為管匯下放安全提供技術(shù)支持。

1 數(shù)值模型

針對(duì)管匯下放工況中框架受力特點(diǎn)建立有限元模型：框架底層承受入水沖擊載荷，可選取底層主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行入水過(guò)程的數(shù)值模擬，本文管匯框架底層主要由兩種工字梁構(gòu)成，選取這兩種工字梁進(jìn)行了建模；管匯框架入水受到?jīng)_擊后，入水速度低于上部吊鉤下放速度，此時(shí)管匯框架不承受吊索拉力作用，因此，模擬不考慮吊索拉力。在該模型中工字梁采用拉格朗日網(wǎng)格，海水采用歐拉網(wǎng)格。

1.1 整體模型構(gòu)建

管匯框架入水相關(guān)的主要模型有：工字梁、海水域。以下給出整體模型的構(gòu)建過(guò)程。

1.1.1 管匯框架底層主要工字梁模擬

管匯框架如圖1所示，其底部工字梁分為兩類：H440 和H300，最大跨度為4.05 m。所建工字梁模型如圖2所示，腹板和翼板采用殼單元模擬，主要參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)置工字梁入水初始速度為1.00 m/s。

圖1 管匯框架示意

圖2 工字梁模型（H440）

1.1.2 歐拉域及初始海水域

歐拉域及初始海水域見(jiàn)圖3，歐拉域?yàn)檎麄€(gè)長(zhǎng)方體，采用歐拉網(wǎng)格離散。歐拉域由海平面分為兩部分，海平面以下為初始海水域。為消弱邊界影響，初始海水域的長(zhǎng)度約為工字梁長(zhǎng)度的3 倍，水深約為工字梁高度的3倍，歐拉域及初始海水域的主要尺寸見(jiàn)表2，海水主要參數(shù)見(jiàn)表3。海水建模為一種幾乎不可壓縮的黏性牛頓流體，采用線性Us-Up狀態(tài)方程描述。

圖3 歐拉域及初始海水域設(shè)置

表2 歐拉域及海水域主要尺寸

表3 海水主要參數(shù)

水介質(zhì)的體積強(qiáng)度及靜水狀態(tài)體積響應(yīng)特性定義如下：

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；ρ0為參考密度，kg/m3；c0為水中聲速，m/s；η為名義體積壓縮應(yīng)變，η= 1-ρ0/ρ；Γ0為Gruneisen 常數(shù)，無(wú)量綱；Em為單位質(zhì)量的內(nèi)能，N·m/kg；s為無(wú)量綱系數(shù)，c0和s定義沖擊波速度Us和粒子速度Up之間的線性關(guān)系如下：

水黏性剪切性質(zhì)定義如下：

式中：S為應(yīng)力偏量，Pa；為應(yīng)變率偏量，s-1；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；為工程偏應(yīng)變率，s-1。

1.1.3 模型組裝

將工字梁和歐拉域裝配至1個(gè)模型，見(jiàn)圖4。

圖4 組裝模型示意

1.2 管匯質(zhì)量影響分析及載荷施加

管匯及框架入水時(shí)，框架除了承受管匯產(chǎn)生的重力作用外，還應(yīng)考慮管匯質(zhì)量在動(dòng)力分析中的作用。本文通過(guò)等效質(zhì)量的方式考慮了管匯質(zhì)量的影響，即框架的等效質(zhì)量與框架、管匯質(zhì)量之和相同，然后將框架等效質(zhì)量均勻分布在各個(gè)工字梁上。在數(shù)值模型中通過(guò)設(shè)置材料密度計(jì)算等效質(zhì)量。

2 模擬結(jié)果

通過(guò)數(shù)值模型模擬了管匯框架工字梁入水過(guò)程，給出了工字梁的速度變化和應(yīng)力，分析了入水速度對(duì)工字梁應(yīng)力的影響。

2.1 入水過(guò)程

圖5給出了工字梁入水的過(guò)程。

圖5 工字梁入水過(guò)程

2.2 速度-時(shí)間歷程

圖6 為下放速度為-1 m/s 時(shí)工字梁下翼板中點(diǎn)豎向速度與時(shí)間的關(guān)系曲線，可以看出工字梁在與水面接觸后，速度由1 m/s 降低至0.97 m/s，在0.002 s 以后速度超過(guò)1 m/s。說(shuō)明工字梁即使有吊索約束，在此階段也不承受吊索拉力。

圖6 工字梁下翼板中點(diǎn)豎向速度與時(shí)間的關(guān)系

2.3 應(yīng)力分析

針對(duì)H440 工字梁下放，計(jì)算了不同時(shí)刻應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于工字梁下翼板中點(diǎn)給出了應(yīng)力隨時(shí)間的變化（見(jiàn)圖7），可以看出應(yīng)力呈現(xiàn)兩個(gè)級(jí)別的周期變化，短周期約0.003 5 s，長(zhǎng)周期約0.03 s，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第一個(gè)短周期內(nèi)，為38.45 MPa。圖8給出了0～0.004 s內(nèi)的工字梁應(yīng)力分布。

圖7 工字梁下翼板中點(diǎn)應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系

圖8 工字梁應(yīng)力分布

2.4 初始入水速度對(duì)最大應(yīng)力的影響

管匯入水工況的主要參數(shù)為初始入水速度，初始入水速度對(duì)框架主要工字梁最大應(yīng)力的影響見(jiàn)圖9，最大應(yīng)力和初始入水速度基本呈線性關(guān)系，同時(shí)也可看出，H440最大應(yīng)力稍大于H300。

圖9 初始入水速度與最大應(yīng)力的關(guān)系

3 結(jié)論

本文根據(jù)管匯框架入水受力特點(diǎn)，采用耦合歐拉-拉格朗日方法（CEL）模擬了管匯框架主要結(jié)構(gòu)（工字梁）入水過(guò)程，給出了工字梁速度-時(shí)間歷程、應(yīng)力-時(shí)間歷程、應(yīng)力分布圖以及入水速度對(duì)最大應(yīng)力的影響，為管匯入水工況安全分析提供了方法支持。