船舶与系泊平台模型碰撞试验研究

于 霄 朱 凌＊ 李春宝 郭开岭

(武汉理工大学高性能船舰技术教育部重点试验室1) 武汉 430063)(武汉理工大学船海与能源动力工程学院2) 武汉 430063)

0 引 言

为了获取更多的海洋资源，我国沿海地区已经涌现出越来越多功能各异的浮式海洋平台．然而，在复杂的海洋环境下，过往的船只、守卫船、补给船等各种船舶与浮式平台经常发生碰撞事故，会导致环境污染、经济损失、人员伤亡等一些灾难性后果．

针对船舶与海洋平台碰撞的研究方法主要有数值分析法、有限元仿真法及试验方法．Pedersen等[1]运用数值分析方法研究船舶与海洋平台碰撞过程，分析了水动压力及平台自身柔度对碰撞过程的影响．Pedersen等[2]提出了一种新的数值方法，能够较好地确定碰撞过程中的碰撞力及平台运动响应．Zhang等[3]基于刚体碰撞力学的一般理论，分析了船舶与海洋平台碰撞过程中的能量耗散问题，并建立了简化估算公式．在此基础上，Zhang等[4-5]对此方法进行了改进，通过与试验结果的对比验证了其准确性．Zhu等[6-7]基于变分有限差分法，建立了船舶碰撞动态弹塑性响应的数值模型，研究了碰撞中船体矩形板受碰撞载荷下的动力响应问题．李润培等[8]建立了船舶与海洋平台圆管结构碰撞的弹塑性分析方法，利用塑性节点法结合大位移理论计算了碰撞过程中结构的大变形、塑性以及应变硬化等问题．近年来，导管架海洋平台受船撞击的弹塑性大变形及损伤问题受到了更广泛的关注．Jin等[9]提出了一种适用于导管架海洋平台结构的冲击碰撞评估方法，能够得到碰撞后平台结构的整体损伤效应．Zhu等[10-12]运用试验的方法，分析了冲击载荷下海洋管道的变形模式，并开展了轴压作用下钢管支撑构件破坏极限强度的数值研究．刘昆等[13]对海洋平台桩腿直管的变形机理开展了相关研究，运用塑性力学理论求解出了管结构的碰撞力与撞深的解析表达式．

随着计算机技术的迅速发展，将非线性有限元方法运用到了对船舶与海洋平台碰撞的研究中．唐友刚等[14]基于有限元仿真方法对系泊邮轮与海上平台的碰撞过程进行了分析，得到了系泊船舶与平台的碰撞力以及二者的运动响应．Storheim等[15]运用LS-DYNA研究了船头和船尾对浮动平台柱以及导管架腿和支架的冲击过程，评估了船舶碰撞对海上平台造成的变形损伤．

文中在试验水池中开展了船舶与系泊平台模型碰撞试验，对船舶与系泊平台的碰撞过程进行分析，为后续的理论与数值研究提供有参考价值的试验数据．

1 水池碰撞模型试验方案设计

1.1 试验模型设计

1.1.1系泊平台模型设计

在武汉理工大学碰撞与流固耦合试验室现有船舶碰撞试验系统的基础上[16]，参考典型系泊浮式平台结构尺寸，采用缩比模型设计方法对系泊平台模型进行设计．系泊平台长2 m、宽0.5 m、高度0.3 m．为了保证碰撞区域的尺寸，高度方向采用畸变设计，其正视图为“凸”形，在平台两侧布置四个对称的钩环，用来连接系泊线．为了模拟系泊平台被撞后的变形损伤，将平台一侧进行切割，用来安装被撞板，见图1．被撞板为长0.96 m、宽0.32 m、厚2 mm的铝合金矩形板，通过夹具将其四周固定在系泊平台上．设计的系泊平台总质量为155 kg，重心高度为229 mm．

图1 系泊平台模型图

1.1.2撞击船模型设计

撞击船为木质船模，船长3.4 m、船宽0.53 m、型深0.32 m，总质量105 kg．为了安装刚性冲头及力传感器，将船首部垂直切割一部分并安装刚性基座，基座、力传感器与刚性冲头用螺栓连接固定，见图2．为了更好的模拟真实碰撞情况，将刚性冲头前端部设计为椭球体(冲头母线为椭圆，长轴160 mm、短轴80 mm)，后端部为平行中体(长30 mm)．

图2 撞击模型图及刚性冲头示意图

1.2 试验方案设计

1.2.1撞击船拖曳方案

试验前，通过移动压铁将撞击船调整到正浮状态．基于试验水池的条件，通过电动机提供动力，并用一根高强度细线将撞击船与电机相连接，通过调整电机与撞击船的距离，实现撞击船的速度变化研究目的．为了保证撞击船在碰撞发生前能够完全自由的以一定初速度与系泊平台发生正撞，需要在牵引绳适当位置安装一块限制木块．在碰撞即将发生时，由于木块和定滑轮的相互作用，牵引绳发生断裂，撞击船将实现自由运动，试验总体示意图见图3．同时，在试验区域布置四个高速运动捕捉相机，能够实时捕捉试验中撞击船及系泊平台的三维运动姿态．

图3 试验布置示意图

1.2.2平台系泊方案

平台的系泊方式一般有悬链式与张紧式两种，考虑到试验水池宽度方向上的限制，使用张紧式系泊对平台进行定位．为了对平台进行系泊，在试验水池池底布置四个呈矩形分布的系泊点，系泊点的横向距离1 700 mm、纵向距离3 400 mm．试验前，在保证系泊平台保持正浮状态的基础上，通过四根高强度尼龙绳将系泊平台与试验水池池底的系泊点进行相连．同时，在四根系泊线上布置小型拉力传感器，用来测试在碰撞过程中系泊缆绳张力的变化，系泊总体布置方案见图4．

图4 平台系泊布置方案

2 试验工况及结果分析

2.1 试验工况

为了分析不同碰撞速度和系泊线预张力条件下的碰撞响应规律，结合试验水池牵引电机的拖曳能力及牵引绳的强度，基于四组典型的试验工况开展了模型水池碰撞试验，具体见表1．其中，试验4的系泊线较长，在碰撞初始阶段，对平台完全没有定位作用．

表1 四组试验工况

四组试验的预撞击位置为被撞板的中心点．由于试验过程中，撞击船在前进过程中会发生不可控的偏移，导致四组试验的撞击位置不同．图5为李良伟等[17]在水池中开展的船-船模型碰撞试验的撞击点位置．与其相比，本文开展的四组试验的撞击位置均更靠近被撞板中心点，因此认为四组试验撞击位置的偏差在可接受的范围内．

图5 四组试验撞击位置示意图

2.2 试验结果及分析

2.2.1碰撞力试验结果

图6为典型工况的碰撞力时间历程曲线，图7为碰撞的整体过程．由图6～7可知：整个碰撞过程分为三个阶段，即碰撞前、第一次碰撞、第二次碰撞．在碰撞前，撞击船在牵引系统的作用下向前行驶．当与系泊平台发生第一次碰撞后，在系泊系统的作用下，系泊平台会发生小距离的横荡及横摇运动．在平台回复运动的过程中，可能会与撞击船发生二次碰撞．在试验4中，系泊线在初始阶段完全松弛．在碰撞发生后，平台会发生较大的横荡运动，与撞击船无法发生二次碰撞．表2为四组试验中的最大碰撞力以及碰撞持续时间，图8比较了四组工况的最大碰撞力．总体分析可知:碰撞速度对碰撞力的影响十分明显，试验3的最大碰撞力比试验1增大了23%．对比试验工况1-3中碰撞力可以发现，当系泊线预张力相同时，最大碰撞力与碰撞速度近似呈线性增加关系，且碰撞持续时间逐渐减小．对比试验3～4可知，随着系泊线预张力的增大，最大碰撞力也会增大，但碰撞持续时间减小．

图8 四组工况最大碰撞力比较

2.2.2系泊线张力试验结果

图9为典型工况下的各个系泊线张力变化时间曲线．根据系泊线的对称性，将Cable1与Ca-ble2称为前端系泊线，将Cable3与Cable4称为后端系泊线．表3为四组试验中各个系泊线最大张力值及前后端系泊线最大张力的平均值．由图9可知:在系泊平台受到船舶的碰撞载荷后, Cable1与Cable2在定位系泊平台方面起到主要的作用，并且两根系泊线上的张力在碰撞的整体过程中的大小几乎保持一致．对比Cable1与Cable2, Cable3与Cable4系泊线张力明显较小．这主要是因为，在平台受到碰撞后向前方移动的过程中，平台所具有的大部分动能将会被消耗，在回复运动的过程中，其大部分动能已被水阻力及前端系泊系统耗散，导致Cable3和Cable4系泊线张力较小．

图9 典型工况下系泊线张力变化曲线

表3 四组试验各个系泊线最大张力 单位：N

图10为试验1～3各个系泊线最大张力值及前端和后端系泊线最大张力的平均值．由图10可知:在系泊线预张力相同时，随着碰撞速度的增加，前后端系泊线最大张力平均值均近似呈现线性增加的趋势；对比试验3～4可知：在预张力不同时，随着预张力的增加，在碰撞过程中系泊线的最大张力也会增加．这主要是因为，随着系泊线预张力的增加，系泊线对平台的定位作用增强，导致系泊线张力的增大．在试验4中，系泊线在初始阶段呈现松弛状态．在碰撞发生后，平台在自由的运动一段距离后，系泊线才会起到定位作用．由于平台大部分的能量都被水阻力耗散，导致试验4中的系泊线张力明显小于试验3．

图10 不同碰撞速度下的系泊线最大张力及平均值

2.2.3平台运动响应试验结果

图11为平台在碰撞过程中运动响应随时间的变化曲线．由于四组试验的碰撞点都在平台重心的上方，在碰撞发生后，平台将会发生剧烈的横摇运动，其振动幅值随着碰撞速度的增加而增大．在试验3～4中平台的最大横摇角达到了近30°，最后在系泊线以及水阻力的作用下迅速减小．这主要是因为，试验3的碰撞速度较大，且撞击位置距离平台重心较远．虽然试验4的撞击位置距离平台重心较近，但是在碰撞初始阶段，系泊线对平台没有定位作用，导致平台的横摇角也很大．由图11可知:系泊平台的纵摇与首摇都相对较小，基本都处于2°以内．但是，试验4中系泊平台首摇角最大达到了5°．主要是因为试验4中系泊平台的被撞位置偏离了中心线，且系泊线预张力为零，导致其首摇较大．

图11 典型工况下平台运动响应曲线

2.2.4平台外板变形损伤试验结果

图12为四种典型试验工况下平台外板的局部变形损伤情况．通过测量得到了四组试验下平台外板的最大塑性变形分别为6.75，7.44，8.28和7.99 mm．对比试验1～3可知，试验3中的最大塑性变形比试验1增大了22%，显示了碰撞速度对平台外板的最大塑性变形有较大的影响．在试验3～4中，虽然两组试验的碰撞速度相同，但试验4在碰撞发生时不受系泊线的定位作用，与试验3相比有更多的能量转化为系泊平台的动能，导致平台外板塑性变形较小．图13以被撞板底边为坐标零点，给出了四组试验中铝合金板被撞点所在的横剖面图．由图可知，平台外板横剖面的整体变形模式呈“凸”字形．其塑性变形主要集中在被撞区域附近，在边界处的塑性变形较小．这说明在船舶与平台碰撞的过程中，由平台外板塑性变形所吸收的能量相对较小．

图12 平台外板局部变形损伤

图13 铝合金板被撞点横剖面变形图

3 结 论

1) 在船舶与系泊平台发生碰撞时，随着碰撞速度的增加，最大碰撞力及前后端系泊线的最大张力平均值均近似呈线性增加，碰撞持续时间减小．

2) 系泊线预张力的变化对最大碰撞力及碰撞持续时间也有一定的影响．随着系泊线预张力的增大，最大碰撞力增大，碰撞持续时间减小．同时，系泊线的预张力的增大会使碰撞过程中系泊线的最大张力增大．

3) 在船舶的碰撞载荷下，系泊平台主要会产生明显的横摇运动，在纵摇和首摇方向的运动较小．相应的运动幅值随撞击点相对重心的位置而改变．

4) 在碰撞过程中，平台外板的变形损伤较小，撞击船的动能大部分都转化为系泊平台的动能，最后在水阻力的作用下逐渐耗散．