半潜式生活支持平台碰撞敏感性研究

傅兴云，陆响晖，谷家扬，凌 晨，李天佑

(1.浙江凯灵船厂(舟山四八零六工厂), 浙江 舟山 316000；2.中国船舶工业集团公司第七O八研究所，上海 200011；3.江苏科技大学 海洋装备研究院, 江苏 镇江 212003；4.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212003)

0 引言

半潜式生活支持平台是专为钻井平台服务的辅助平台，靠泊跟随状态时动力定位或系泊系统的失效可能导致支持平台与钻井平台的碰撞。为了保障其靠泊作业的安全，研究生活支持平台在不同碰撞速度与碰撞位置下的抗撞特性显得十分重要。

碰撞研究从船-船碰撞，到船-平台碰撞，再到现在平台与平台的碰撞，经过了几十年的发展，国内外的研究已十分深入。OZGUC等[1]定义了供应船碰撞海上浮式生产储油船(FPSO)船首、船舷、船尾等5种碰撞场景，采用大变形有限元法对FPSO碰撞后的船体结构进行分析。STRONGE[2]在《碰撞力学》书中总结了几种不同求解碰撞问题的方法，其中包括了三维碰撞问题的理论算法。SUN等[3]基于塑性变形方程提出了一种简化分析方法，用于快速预测船舷结构在前倾型船艏碰撞下的响应。LEHMANN等[4]通过将加筋板碰撞实验与有限元仿真结果进行对比，提出了失效应变与网格尺寸的经验关系。陈练等[5]、刘俊峰等[6]也从船-船碰撞角度进行外部机理探究，提出了碰撞中动能耗散的估算方法。于兆龙[7]通过对双层底3种主要构件的结构变形损伤机理进行深入研究，提出了应用于船舶搁浅事故的结构响应快速估算方法。高振国[8]基于有限元方法研究了FPSO舷侧结构抗撞性能及船体结构在碰撞事故中的变形机理，提出了对应的简化分析方法。

本文针对某标准型半潜式生活支持平台，应用数值分析方法，通过不同碰撞速度与不同碰撞位置下的对比分析，研究了生活支持平台的碰撞敏感性。

1 生活支持平台与钻井平台碰撞场景

1.1 计算模型的建立

本文计算所用半潜式生活支持平台与钻井平台的有限元模型均采用SpaceClaim-HyperMesh软件联合建立，分别见图1和图2。

图1 半潜式生活支持平台有限元模型

本文采用浮箱、横撑、立柱、甲板室的完整平台有限元建模，充分保证了分析计算的准确性。同时在保证计算精度的前提下，对部分次要构件进行了简化处理。甲板室与浮箱碰撞区域内所有构件采用80 mm网格尺寸进行局部网格细化，非碰撞区域采用600 mm粗网格尺寸建模[9]。对应半潜式生活支持平台和深水钻井平台的主尺度见表1。

图2 钻井平台有限元模型

表1 半潜式生活支持平台和钻井平台主要参数

1.2 敏感性研究碰撞场景的确定

半潜式生活支持平台靠泊作业过程中，由于动力定位或系泊系统的失效可能会导致与钻井平台发生碰撞。在支持平台与钻井平台碰撞场景中，碰撞速度与碰撞位置对支持平台的碰撞特性有较大的影响。本文以不同碰撞速度与碰撞位置建立碰撞场景，对半潜式生活支持平台进行了碰撞敏感性研究。

生活支持平台碰撞钻井平台时的撞击速度大小与碰撞类型、靠泊控制及当时作业海况有关，其撞击的初始速度具有不确定性。本文选取典型碰撞位置(生活支持平台栈桥基座碰撞钻井平台甲板室)，对生活支持平台以0.60 m/s(历史最高碰撞速度)、1.34 m/s(典型碰撞速度)、3.86 m/s(最大碰撞速度)的初速度撞击钻井平台来研究其对撞击结果影响的规律。另外,对生活支持平台1.34 m/s典型碰撞速度下的正面侧对侧工况(生活支持平台栈桥基座沿Y向对中正撞钻井平台甲板室)与30°角侧对侧工况(生活支持平台浮箱以30°角侧向撞向钻井平台浮箱)进行对比分析，研究碰撞位置与角度对支持平台碰撞特性的影响。不同碰撞工况下参数设置见表2。

表2 支持平台碰撞敏感性分析参数

2 碰撞速度敏感性分析

2.1 碰撞力对比分析

图3为生活支持平台以不同初始撞击速度撞击钻井平台的碰撞力-时间曲线。由图3可知，发生接触后，在极短时间内便产生相当大的碰撞力，且初始撞击速度越大，碰撞的剧烈程度越高，碰撞力峰值越大。碰撞速度达到3.86 m/s时，碰撞力峰值远大于低速碰撞的最大碰撞力。这是因为栈桥基座与甲板结构不足以抵抗3.86 m/s速度下支持平台的动能，发生大面积破溃，致使生活支持平台的立柱、浮箱与钻井平台发生碰撞，从而导致碰撞力的激增，直到支持平台剩余动能不足以抵抗结构弹塑性变形时，碰撞力出现大幅减小。支持平台速度较低时，碰撞力曲线比较光顺。这是因为在低速情况下，支持平台栈桥基座与钻井平台甲板室以相互挤压为主，碰撞现象表现得不是很明显；而速度较高时碰撞力曲线非线性特征更加明显，在高能碰撞下，支持平台栈桥基座的结构与单元快速失效，碰撞力反复出现加载与卸载现象。

图4为不同撞击初速度下的碰撞力-撞深曲线图。从图4可知：初速度为0.60 m/s和1.34 m/s的碰撞力-撞深曲线的变化趋势基本一致，只是峰值不同，说明碰撞力-撞深曲线走势与生活支持平台的初速度无关；初速度为3.86 m/s时，在碰撞初始阶段(0～1.5 s)，与0.6 m/s和1.34 m/s的碰撞力-撞深曲线的变化趋势基本一致，之后由初始时刻的线性阶段快速进入非线性阶段，说明在碰撞初始阶段，属于弹性变形阶段，随着撞深及接触面的不断增大，碰撞力也在增加，材料快速进入到塑性变形阶段而产生塑性变形损伤。

图3 不同撞击初速度下的碰撞力-时间曲线图

2.2 结构损伤对比分析

图5～图6为栈桥基座和甲板室在不同碰撞速度下的损伤变形图。从图中看出，随着碰撞速度的增大，碰撞接触区的变形和损伤区域也不断增大，而对于非碰撞区的影响相当小，碰撞的局部性特点非常明显。0.6 m/s撞击速度时，栈桥基座的圆筒与水平框架出现较大凹陷，但栈桥基座外板和平台板未出现较大形变；1.34 m/s撞击速度时，栈桥基座的圆筒、水平框架、外板和平台板均出现较大凹陷，但未出现较大破溃；撞击速度达到3.86 m/s时，栈桥基座的圆筒、水平框架、外板和平台板均出现较大破溃，栈桥基座结构几乎完全损毁。

从图5～图6中还可看出，生活支持平台栈桥基座和甲板室的中横舱壁与水平框架较其他地方变形损伤要大，最容易发生断裂破坏，且撞击速度越大，结构的损伤越严重。0.60 m/s撞击速度时，生活支持平台甲板室外板只是发生了较大的塑性变形，但没有单元破坏；1.34 m/s撞击速度时，甲板室外板部分结构达到最大塑性失效应变，甲板室外板发生破裂，且结构的变形较大；3.86 m/s撞击速度时，甲板室已承受不住这种巨大能量的撞击，出现更大区域的破坏。

图5 栈桥基座不同碰撞速度下损伤变形图

图6 甲板室不同碰撞速度下损伤变形图

2.3 能量转化对比分析

表3为系统及栈桥基座在不同碰撞速度下碰撞结束时的吸能结果。

表3 不同碰撞速度下系统及栈桥基座变形能吸收结果

由表3可知：当碰撞速度不大于1.34 m/s时，随着碰撞速度的增加，生活支持平台所吸收的变形能占比在上升。这说明生活支持平台撞击速度越大，平台的塑性变形越大，所吸收的变形能也越大。而当碰撞速度大于1.34 m/s后，生活支持平台所吸收的变形能占比呈现下降趋势。这是因为栈桥基座能够吸收的变形能由栈桥基座的结构强度决定，栈桥基座达到抵抗碰撞变形极限后，无法吸收更多变形能，而平台总能量是增加的，所以变形能占生活支持平台初始动能比值呈现下降趋势。

在低速碰撞时，栈桥基座吸能结构为圆筒和水平框架，此时对栈桥基座外板的破坏较为轻微。当速度达到典型碰撞速度(1.34 m/s)时，栈桥基座外板对撞击产生的抵抗力在快速增加，对整体吸能贡献增大，吸能效果明显。当速度达到最大碰撞速度时，栈桥基座外板、圆筒和水平框架结构由于大面积破溃，对撞击产生的抵抗力均呈现下降趋势，此时生活支持平台的剩余动能更多地被甲板室所吸收。

3 碰撞位置敏感性分析

3.1 碰撞力对比分析

图7为生活支持平台与钻井平台不同撞击位置下的碰撞力-时间曲线图。由图7可知，初始撞击速度相同的情况下，生活支持平台栈桥基座对中正撞时碰撞的剧烈程度更高，碰撞力峰值更大。生活支持平台浮箱30°斜向撞击钻井平台浮箱的剧烈程度明显低于对中正撞。这是由于30°斜向撞击为非对心碰撞，生活支持平台与钻井平台以碰撞接触面为中心发生旋转，更多的初始动能转化成了2座平台的动能，大幅减少了变形能的吸收。对比2种碰撞的持续时间可知，对中正撞的持续时间明显长于30°斜向碰撞。这是由于30°斜向撞击产生的旋转使2个平台很快分离。

图7 不同撞击位置下的碰撞力-时间曲线图

图8为不同撞击位置下的碰撞力-撞深曲线图。从图8可知，2种工况下碰撞力-撞深曲线都在短暂的线性增长结束后，出现一段平稳期，随后又线性增长。不同的是，对中正撞时平稳期较长，而30°斜撞平稳期较短，这是由碰撞位置自身结构形式与强度决定的。对中正撞工况栈桥基座只有部分结构参与抵抗碰撞力的形变作用，当没有更多结构参与抵抗碰撞时，碰撞力呈现较为稳定的状态；而30°斜撞工况浮箱的结构很快都参与到抵抗碰撞形变的作用中，碰撞力短暂平稳后又开始增长，从而说明浮箱的结构要比栈桥基座的更为可靠，更能有效地抵御碰撞。在碰撞力达到峰值后，支持平台的动能不足以使生活支持平台和钻井平台的单元发生破坏，钻井平台与生活支持平台开始分离，从而碰撞力出现卸载现象。卸载曲线的斜率与碰撞初始阶段的斜率一致，反映了生活支持平台本身所固有的抗撞特性。

3.2 结构损伤对比分析

图9～图14为栈桥基座、甲板室和浮箱在碰撞结束后的损伤变形图。从图中看出，支持平台对中正撞钻井平台时，位于碰撞接触区的栈桥基座损伤变形严重。在整个碰撞过程中，伴随着构件的塑性变形失效，栈桥基座和栈桥基座连接处甲板室结构的典型损伤是板材的褶皱、弯曲和撕裂。栈桥基座外板上首先发生塑性形变，被撞面形成凹陷，不断褶皱到一起；随着撞深的增加，栈桥基座内部的水平框架受到挤压，发生塑性形变，形成褶皱并失效。支持平台30°斜向撞击钻井平台时，碰撞接触区的浮箱受到碰撞的挤压作用，浮箱外板和平台板发生塑性弯曲，形成褶皱并失效，而浮箱内部结构只有一个位于碰撞接触区域的横框架发生较大形变，而远离碰撞区浮箱外板及其他结构均未出现明显塑性形变。

图8 不同撞击位置下的碰撞力-撞深曲线图

3.3 能量转化对比分析

表4为系统及碰撞区域结构在不同碰撞位置与角度下碰撞结束时的吸能转化结果。

图9 栈桥基座损伤变形图

图10 甲板室损伤变形图

图11 甲板室内部结构损伤变形图

图12 浮箱损伤变形图

图13 浮箱损伤变形图

图14 浮箱内部结构损伤变形图

表4 不同碰撞位置下的系统及碰撞区域结构变形能吸收结果

碰撞位置栈桥基座浮箱系统初始动能 /MJ61.9460.25系统动能占系统总能百分数/%43.8072.17系统变形能占系统总能百分数/%48.5010.64动能占生活支持平台总能量百分数/%90.4219.24变形能占生活支持平台总能量百分数/%9.3380.73栈桥基座/浮箱变形能占系统变形能/%78.2699.67外板占栈桥基座/浮箱变形能百分数/%32.0079.54强框架占栈桥基座/浮箱变形能百分数/%37.9120.24

由表4可知，支持平台对中正撞钻井平台时，初始动能更多地转化成系统和生活支持平台栈桥基座的变形能；而支持平台浮箱30°斜向撞击钻井平台浮箱时，由于30°撞击为非对心碰撞，生活支持平台与钻井平台以碰撞接触面为中心发生旋转，更多的初始动能转化成了2座平台的动能，大幅减少了变形能的吸收。总体而言，对中正撞时，变形能是生活支持平台初始动能耗散的主要去向；而30°斜向撞击时，动能成为生活支持平台初始动能耗散的主要去向。

对中正撞时，处于碰撞区域的支持平台栈桥基座变形能占支持平台变形能的大部分，其中栈桥基座外板与水平框架吸收的变性能占多数；30°斜向撞击时，处于碰撞区域的支持平台浮箱变形能占支持平台变形能的绝大部分，其中浮箱外板吸收了大部分的变性能。由此看出，外板作为碰撞直接接触结构，是吸收能量与传递能量的主要构件，强框架作为支撑外板的主要构件，也承担着重要的吸能作用。

4 结论

(1)碰撞速度是影响碰撞损伤结果的重要因素，碰撞速度越大，碰撞力峰值就越大，结构损伤变形程度和范围也就越大。不同碰撞速度下，碰撞力的变化趋势大致相同，主要由碰撞区域的结构形式决定。

(2)随着碰撞速度的增加，平台所受冲击与运动响应越大，平台吸收动能所占比值在增大，变形能比值在下降。

(3)生活支持平台对中正撞钻井平台时，初始动能更多的转化成生活支持平台栈桥基座的变形能，结构损伤严重；30°斜向撞击时为非对心碰撞，其剧烈程度明显低于对中正撞，碰撞力峰值小很多，更多的初始动能转化成了2座平台的动能，大幅减少了变形能的吸收。

(4)30°斜向撞击产生的旋转使2个平台很快分离，其碰撞持续时间相较于对中正撞明显缩短。