海洋平台圆管构件抗撞性能数值分析

2019-09-02秦晓宇1袁奎霖

中国海洋平台 2019年4期

秦晓宇1, 袁奎霖, 钱缘

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063; 2.大连理工大学船舶工程学院工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 116024)

0 引言

随着深海油气勘探开发需求扩大，海洋平台得到了广泛的应用。然而，平台在进行钻井和采油作业时，守护船因操作不当而撞击平台立柱结构的事故时有发生。通常，圆管构件抵抗冲击的能力有限，在撞击导致局部结构损伤严重时极有可能造成平台整体坍塌，危及人员生命和财产安全。因此，开展海洋平台碰撞性能研究，揭示圆管结构在碰撞过程中的损伤变形机理，成为平台结构抗撞设计的重要课题。

早期学者对于圆管构件在受撞击场景下的动力响应研究大多基于圆管变形机理假设，总结碰撞力或能量耗散的经验公式。THOMAS等[1]较早地根据刚性撞头冲压圆管试验，总结出两端简支圆管在横向载荷作用下的3种变形模式；WIERZBICKI等[2]提出了横向载荷、轴向载荷及弯矩联合作用下的变形理论，指出圆管的局部凹陷与边界条件密切相关；KHEDMATI等[3]研究发现轴向预紧力的大小直接影响圆杆抵御横向载荷的能力。上述研究都基于准静态载荷的假设条件，但碰撞问题是强非线性瞬态冲击问题，早期的准静态模型已经不能满足更为准确的动力响应分析要求。

随着有限元方法的发展，数值模拟成为国内外学者研究碰撞问题的重要手段。VILLAVICENCIO等[4]利用弹塑性模型模拟方形压头侧向撞击夹持梁，并研究夹持宽度对动力响应的影响；甘进等[5]运用ANSYS/LS-DYNA软件模拟船中部位侧向撞击导管架平台的场景，认为将杆件的边界条件简化为两端刚性固定是合理的；包杰[6]使用ABAQUS软件分析三角楔形头侧向撞击典型T、K管点的动力响应，所得结果与试验数据吻合度较高；TRAVANCA等[7]基于LS-DYNA软件分析平台与船舶碰撞的能量耗散问题；杨亮[8]和金梦菊[9]分别利用流固耦合方法对导管架平台遭受带有球鼻艏的商船正向碰撞问题进行分析，并得到最大碰撞力的估算公式。不过，在以上研究中被撞杆件的几何尺寸均较为单一。

为模拟海洋平台桩腿遭受船头撞击的场景，本文对碰撞系统进行简化，以刚性楔形撞头撞击圆管构件场景为研究对象，运用LS-DYNA软件分析撞击过程中碰撞力、能量和塑性变形等动态响应特征，并与试验结果对比，验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上，研究圆管无因次化几何尺寸参数的改变对碰撞损伤变形的影响，研究结果对海洋平台圆管构件的防撞性能设计具有指导意义。

1 碰撞试验数值模拟与验证

本文采用动态显式弹塑性有限元方法，对单根圆管试件受楔形头自由下落撞击试验[10]进行数值仿真。试验分别测量3种不同冲击高度(1.0 m、2.0 m和3.6 m)条件下测点处的碰撞力-时间曲线和塑性变形。

为了模拟试验过程, 根据真实试件的几何尺寸和质量[10]，利用MSC.Patran软件建立有限元模型。如图1所示，圆管长L为1 600 mm，直径d为102 mm，壁厚t为16 mm，圆管两端连接在150 mm×150 mm 的正方形端板上，将端板上的8个螺栓孔处设置为刚性固定边界条件。

图1 楔形头撞击圆管试验与数值仿真

圆管材料为Q235钢，根据真实应力-应变数据(见图2)，采用MAT24_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY弹塑性材料模型。此外，为考虑冲击过程中的应变率效应，采用Cowper-Symonds强化模型，即

(1)

撞头设置为刚体，其质量与初始速度条件如表1所示。上述模型采用LS-DYNA软件进行计算，并与试验结果进行对比，验证模型的有效性，如图3所示。

表1 模拟工况

图3 不同冲击高度下碰撞力-时间曲线的数值模拟与试验对比

图4 测点变形测量与数值预测对比

由图3可知，在3种不同冲击高度工况下碰撞力-时间曲线的变化趋势基本一致，都经历了振荡、稳定加载和卸载等3个阶段。在振荡和稳定加载阶段，数值模拟与试验结果吻合较好，但二者的卸载时间存在一定差异。由于结构冲击损伤变形主要取决于加载阶段撞击力的最大幅值，因此认为卸载阶段的差异并不影响最终结果的有效性。

圆管上表面由于冲击产生的整体变形和局部凹陷(即撞深)是表征结构损伤程度的主要参数。试验通过激光测距仪测量21个测点处的位移变化，从而确定管件的整体变形，而数值模拟则提取卸载后对应测点处节点的位移差值。如图4所示，二者吻合较好。此外，由于试验中较难直接测得撞击点处附近的局部凹陷变形，通过与DNV[11]、AMDAHL[12]和WIERZBICKI 等[2]的碰撞力-撞深公式进行对比(见图5)，验证了圆管结构撞击仿真技术的准确性和可靠性。