跌落分析技术在海洋平台安全性评估中的应用

韩华伟

(中集海洋工程研究院有限公司， 山东 烟台 264670)



跌落分析技术在海洋平台安全性评估中的应用

韩华伟

(中集海洋工程研究院有限公司， 山东 烟台 264670)

摘要在半潜式钻井平台作业过程中，由于工作海况环境比较复杂多变，为了使平台在特定海况下能够正常工作，该文基于ABAQUS软件对钻井平台在复杂海况下的典型局部结构强度进行了校核，对以后应用ABAQUS软件在该领域的局部强度研究以及船级社送审具有一定的意义。

关键词钻井平台有限元ABAQUS

The Application of Dropping Analysis on Safety Estimation of Offshore Platform

HAN Hua-wei

(CIMC Offshore Engineering Institute Co., Ltd., Yantai Shandong 264670, China)

AbstractFor the complex working environment during offshore working, a local analysis about riser dropping is performed, which give the stress result to explain the sufficient structure and report for DNV. Final give some advice on how to do similar local analysis in this area.

Keywords Offshore platformFinite elementABAQUS

0引言

伴随油气开采向海洋发展，海洋工程装备业成为新的战略新兴产业，海工平台的钻井作业水深也由浅入深。由于海工装备货物吊装运输作业的频率非常高，就不可避免地发生因脱钩、绳断等引起的物体跌落，一旦发生这类事故，必将对船体造成一定程度的损坏，甚至可能穿透甲板，进而破坏甲板下的结构或设备，也有可能造成人员伤亡。根据英国能源部的统计数据，平台在吊机作业过程中发生钻杆等吊装物失控落在甲板上的危险性很高。因此，有必要对物体跌落造成船体受到冲击的过程进行模拟分析，来获取船体的损伤变形和破坏程度。

本文采用针对海洋工程中的一些典型结构进行了局部有限元强度分析，包含外载荷、内应力计算分析，从而对船体强度作出判断，并依据DNV规范的有关要求对平台进行了强度校核，计算其局部应力并形成可行性分析报告送审DNV等相关船级社。 最后，本文结合相关的局部强度分析给出了指导性的设计建议，为相关的设计建造提供了参考。

1非线性动力学分析

所谓跌落碰撞分析是指平台甲板面上空的作业区域突然承受高空跌落的吊装物，是一种有时间历程的非线性动态分析响应过程，动力特性过程明显，碰撞区域的甲板结构在冲击过程中由超弹性阶段快速过渡为塑性流动阶段，在此过程中有可能会发生断裂、强度破坏等情况。目前可以采用有限元分析的手段，基于跌落过程中和船体结构的接触时间历程设置分析过程，分析结果和实际跌落结果一致，可用于预测平台甲板以上作业区域的安全评估[1]。

本文选取某钻井平台的一个特殊例子——钻管高空落下，阐述应用显式有限元法对跌落碰撞过程进行了模拟分析，落物危险区域主要集中在主甲板，如图1所示。

图1　落物分布区域

1.1建立计算的力学/数学模型

借助ABAQUS软件强大的网格划分功能划分合适的网格类型，在建立模型时，甲板盒结构中所有的甲板面、纵横舱壁、碰撞跌落位置的大型梁结构、相邻区域的T型材腹板均用壳单元来模拟，非跌落区的T型材的面板和球扁钢等小截面型材考虑采用梁单元来模拟，以此来减少前处理时间，降低计算步长，节约大量的计算时间[2]。

对于跌落物体，为了更真实地模拟物体冲击船体的过程，跌落物体按照实际的尺寸建模。由于，跌落物体的损坏情况比起船体的损坏来说不是分析所关注的重点，因此跌落物体只用壳体来代替，外形尺寸与实际尺寸一致，又根据DNV规范可把跌落物体假定为刚体。

考虑到结构的对称性和落物载荷的均布性，选取了距离船中4 000 mm和9 750 mm之间，主甲板以下1 500 mm区域的结构进行了建模。网格采用减缩积分单元，并且采用比较细的网格来避免沙漏现象，跌落区域的网格细化情况，如图2所示，而非跌落区域的网格划分较粗。采用减缩积分单元有如下特点。

(1) 位移的求解结果较精确。

(2) 网格存在异样时，(例如单元的角度远远大于或者小于90°)，可以保证分析精度。

(3) 不容易发生剪切自锁。

图2　数学力学模型

1.2边界条件

在分析前处理过程中，由于在瞬时的冲击作用下，甲板接触区域结构的变形较大，物体跌落表现为局部性，边界条件对分析结果的影响可以忽略不计，引入了结构非线性分析方法，如图3所示。模型中船体甲板结构采用高强钢，根据材料非线性定义的应力应变曲线，如图4所示。并在冲撞区域进行了局部垫板加强。材料弹性模量E=2×1011，泊松比 =0.3。分析结构中舱壁位置相对于其他结构较强，所以采用了固支的边界条件，而对于两个型材中间跨度的位置，考虑到结构的强度和对称性，采用了对称的边界条件来模拟真实的边界[3]。

物体跌落的过程作用时间短，冲击力大，碰撞过程中两者的相对位移可以忽略，而材料很容易进入塑性变形阶段。因此，在进行跌落分析时，要考虑材料的塑性性质[4]。

图3　大变形

图4　材料应力应变曲线

1.3载荷的确定

根据实际情况，取定物体的最大下落高度，由于下落物体较重，忽略空气对跌落物体的阻力影响，假定物体从跌落位置开始以9.81 m/s2重力加速度进行自由落体运动[5]。

在本例的落物分析过程中，只需计算接触甲板之前的速度，并定义在预定义分析步骤中即可。在跌落分析时，冲击荷载是以物体刚与船体结构接触时的速度施加于模型[6]。本文赋于钻管17.1 m/s的速度来模拟冲击甲板过程。

(1)

式中：h为下落时物体的高度；g是重力加速度。

2有限元分析结果与分析

依据ABAQUS软件强大的后处理功能，提取式(2)所需的不同结构不同方向应力，得出相应的合成应力，并基于DNV的相关要求核对分析结果。分析结果如图5、图6所示。

(2)

图5　应力云图

图6　能量—时间图

有限元校核结果如表1所示。

由表1可知，材料的使用系数远远小于1，这意味着材料的利用率不高。在保证强度、屈曲要求的前提下，还可以进行进一步的结构优化。最大的应力出现在落物上，可见甲板下的支撑结构在冲击载荷作用下是安全的，不需要再进行加强，该局部分析是参照DNV的要求进行的，结果表明强度符合船级社要求，可以现场制造。

表1　有限元校核结果

3结论

(1) 从ABAQUS分析结果来看，由于甲板的应力较小，建议取消作为加强结构的甲板上面的垫板，而加强甲板盒内的纵向结构，即便于现场结构加强施工，同时也可以比较流畅的传递载荷。

(2) 基于有限元专业软件评估强度，可以使用动力学分析的方法，动态地显示每一个分析步骤的变形和应力情况，其结果较常规校核方法更为精确、直观，可在得出结论后进行分析结果的后处理并给出修改方案。

(3) 随着海洋工程装备的发展步伐，越来越多的操作方对于安全评估提出了更高的要求，特别是基于人机工程健康、安全、环保的研究，逐渐被行业内所重视。本文提出的计算方法对该类平台的其它局部强度校核也具有一定的参考价值。

参考文献

[1]杨永强,李爽, 谢礼立.构件跌落碰撞的数值模拟研究 [J].振动与冲击,2010，6(6)：54-58.

[2]朱霞,顾景喜,陈俊斌,等. JG3军用合成制动液运输包装跌落仿真分析 [J].包装工程,2015(9):64-68.

[3]占智贵,刘明建. 手机主摄像头跌落仿真和优化设计[J].计算机辅助工程,2015(2):59-62.

[4]DNV.Offshore Standard DNV-OS-C103 Structural Design of Column Stabilised Units(LRFD Method)[S]. 2004.

[5]DNV.Offshore Standard DNV-OS-A101 Safety Principles and Arrangements[S]. 2001.

[6]DNV.Recommended Practice DNV-RP-103 Column Stabilised Units[S]. 2005.

[上接第38页]

图9　内壳板屈曲云图

4结论

本文详细介绍了800PCC内河商品汽车滚装船总纵强度的计算，其中规范计算重点提出了联合剖面模数及联合惯性矩的概念，这与海船的设计理念是完全不同的，但在内河船设计中是比较常用的。通过总纵强度有限元计算发现，屈服计算较易满足，没有问题，但由于本船只有中拱，导致船底板及内壳板底部的屈曲需要考虑增加板厚及屈曲筋。

[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[M].北京：人民交通出版社，2014.

[2]中国船舶工业集团公司.船舶设计使用手册(结构分册)[M].北京：国防工业出版社，1998.

中图分类号P75

文献标志码A

作者简介：韩华伟(1980-)，男，高级工程师，研究方向为海洋工程结构设计和分析。

基金项目：工信部“高效轻量化吊机设计制造关键技术”(编号：〔2011〕530)。