不同材料模型和应变率对船舶与海上风电平台碰撞影响

闫 伟 焦双健 何其斌

(中国海洋大学，山东 青岛 266100)



不同材料模型和应变率对船舶与海上风电平台碰撞影响

闫 伟 焦双健 何其斌

(中国海洋大学，山东 青岛 266100)

利用非线性显示动力学软件LS-DYNA，对三桩式风电站遭受船舶撞击的情形进行了有限元计算，研究了两种材料模型和不同的应变率状态对船舶与三桩式海上风电平台碰撞结果的影响，并通过对比不同工况下的应力应变特性、位移、碰撞力以及能量转化等，得到了相关数据和结论。

海上风电场，船舶碰撞，应变率，材料模型

0 引言

随着海上风电产业的迅速发展，船舶碰撞风电结构作为一前沿问题，关于此类碰撞的风险从来没有人忽视，深入开展这方面的研究，对减少船舶碰撞事故具有重要的理论和现实意义。在进行船舶与海上风电平台研究时，有必要探讨应变率状态和材料模型问题。本文将利用有限元软件LS-DYNA探讨两种材料模型和应变率状态对船舶撞击三桩式海上风电平台计算结果的影响。

1 材料模型和应变率特性

1.1 应变率特性

碰撞是一个动态过程，在快速的撞击动载作用下，弹塑性材料模型的力学特性会发生明显变化，即金属材料的极限屈服强度明显提高，屈服现象出现滞后，材料往往不能忽略应变率的影响。根据应变率相关与否，可将弹塑性材料分为率相关材料和率无关材料。

1.2 材料模型

目前在船舶碰撞问题研究中，塑性随动材料和分段线性塑性材料模型是两种较为常用的材料模型。

塑性随动材料能够考虑材料失效，也能够考虑应变率状态，它的应变率模型是Cowper-Symonds模型。其屈服应力表达式如式(1)所示，包括与应变率有关的因子。

(1)

(2)

分段线性塑性材料模型能够考虑材料失效，也能够考虑应变率状态，应变率模型与塑性随动模型一样。其屈服应力表达式如式(3)所示，包括与应变率有关的因子。

(3)

2 船舶与三桩式海上风电平台计算模型

2.1 有限元模型

本文假设质量为10 000 t的货船以5 m/s的速度垂直撞击三桩式海上风电平台。接触面算法采用对称罚函数法[1]，采用基于试验数据的经验公式来计算附加水质量[2]。将桩土之间的作用采用线性弹簧来模拟，弹簧单元的刚度根据“m”法得出。

2.2 仿真工况

根据材料模型和应变率状态的不同可选择四种工况。工况一：分段线性塑性模型，考虑应变率；工况二：分段线性塑性模型，不考虑应变率；工况三：各向同性随动塑性模型，考虑应变率；工况四：各向同性随动塑性模型，不考虑应变率。

3 计算结果与结论

3.1 应力应变和位移对比分析

图1～图4给出了四种工况风电站结构应力分布云图，图示时间为船舶速度降为0的时刻。

将不同材料模型和应变率状态下的主要应力应变和位移计算结果统计如表1所示。

表1 不同材料模型和应变率下主要结果

通过表1得出：

1)当应变率状态相同时，即均考虑应变率和均不考虑应变率，在不同材料模型情况下，船舶撞击三桩式海上风电平台过程中风电平台的最大应力都表现出一定的差异性，分段线性塑性模型工况下的最大应力(无论是碰撞过程中的最大应力还是船舶速度V=0时的最大应力)均比各向同性随动塑性模型工况下的大，变化幅度在10%左右；材料模型对于最大应变和最大水平位移的影响较小，变化幅度在2%以内；

2)当材料模型相同时，应变率状态对于应力应变水平位移的影响较大。具体来说，考虑应变率时，被撞风电平台最大应力比不考虑应变率时要大。相反，相比较于不考虑应变率，考虑应变率时的最大应变、最大位移较小。

3.2 碰撞力的对比分析

图5表示不同应变率状态下的碰撞力时程图。

无论是各向同性随动塑性模型还是分段线性塑性模型，A曲线基本上处于B曲线之上，即在碰撞过程中，考虑应变率的情况下的碰撞力基本上都大于不考虑应变率情况的碰撞力，这说明考虑应变率使得结构得到了强化。虽然应变率提高了结果的承载能力，但是图中A曲线与B曲线的变化趋势基本相同，说明无论考虑应变率与否，结构遭受撞击后的损伤和变形过程基本一致，说明了结构的失效顺序和变形方式基本不受应变率状态的影响。

图6表示不同材料模型下的碰撞力时程图。

在考虑应变率时，A曲线的最大碰撞力为58.8 MN，B曲线为58.4 MN；在不考虑应变率时，A曲线的最大碰撞力为52.3 MN，B曲线为51.7 MN。这说明当应变率状态相同时，海上风电平台过程中风电平台受到的最大碰撞力基本相等。A曲线与B曲线的变化趋势基本相同，说明在应变率状态相同的情况下，材料模型对于碰撞力的影响是很小的。

3.3 碰撞能量的对比分析

表2表示的是在不同的材料模型和是否考虑应变率情况下，系统的能量分析情况。

表2 不同材料模型和应变率下系统能量分析汇总

从总体上来说，一方面，无论是考虑应变率还是不考虑应变率，材料模型对于计算结果尤其是碰撞力和能量转化的影响不大。另一方面，材料应变率对于碰撞计算结果的影响很明显，从结果上看，它提高了结构的承载能力，改善了结构的抗撞性能，但是撞击过程中结构的失效顺序和变形方式基本不受应变率状态的影响。

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The influence of different material models and strain rates to ship and offshore wind power platform collision

Yan Wei Jiao Shuangjian He Qibin

(Engineering School, China Ocean University, Qingdao 266100, China)

Using the nonlinear display dynamics software LS-DYNA, this paper made finite element calculation to the situations of three pile wind power station suffer ship collision, researched the influence of two kinds of material models and different strain rates state to ship and three piles offshore wind power platform collision results, and through the stress and strain characteristics, displacement and energy transformation etc. though comparison of different construction, obtained the related data and conclusions.

offshore wind farm, ship collision, strain rate, material model

1009-6825(2017)16-0047-03

2017-03-28

闫 伟(1991- )，男，在读硕士； 焦双健(1973- )，男，博士，硕士生导师，副教授； 何其斌(1988- )，男，在读硕士

U661.4

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