不同裝載條件下平臺供應船與樁柱碰撞的結構動力響應

魯宇帆　吳家鳴　廖華　盧立樺

摘 要：本文利用結構有限元軟件，分析平臺供應船與平臺樁柱的碰撞所引起的結構動力響應，觀察平臺供應船在不同裝載情況下碰撞樁柱時船體動能與船體內能轉化關系，以及碰撞過程中碰撞力隨時間的變化。計算結果表明：隨著供應船排水量的增加，碰撞過程中船體所吸收的動能也隨之增加，排水量的改變將導致船體所受到的最大碰撞力和碰撞過程的時間發生變化，排水量越大，船體所受的碰撞力也越大，發生碰撞的時間也越長，導致船體結構發生破壞的可能性也在增加。

關鍵詞：平臺供應船；碰撞；船體損傷

中圖分類號：U661.42 文獻標識碼：A

Abstract： This paper analyzes the structural dynamic responses in collision model of PSV-offshore platform pile by using finite element method， Studies the ship`s conversion relation of kinetic energy and internal energy as the collision force changes under all load conditions of the ship. The calculation results show that with the increase of displacement， the kinetic energy of hull absorbed increases； the change of displacement changes maximum collision force and collision time， the maximum collision force is improved and collision time is extended because of the increased displacement and it could increase the possibility of the hull structural destruction.

Key words： AHTS； Collision； Structural damage

1 引言

隨著對海洋油氣資源開采的日益增多，海洋工程船舶的碰撞問題越來越引起人們的關注。平臺供應船在靠泊海洋平臺的作業過程中，由于受到風、浪、流等復雜海況及人為因素等方面的影響，極易發生碰撞的問題。船與海洋平臺的碰撞發生在極短的時間內，這期間船體的動能轉化為結構內能以及塑性能等，若碰撞能量超出結構的彈性階段而進入塑性流動狀態，就有可能引起船體結構出現撕裂、屈曲等各種形式的破壞或失效，因此對平臺供應船與平臺樁柱碰撞下船體結構動力響應分析，對于判斷船舶結構是否安全具有重要的意義。

對于船舶碰撞問題，傳統的研究方法主要有解析法[1-2] 、經驗方法[3]和試驗方法[4]，這些方法具有各自的應用對象與適用范圍。隨著計算機硬件與非線性有限元技術的發展，有限元法[5-6]逐漸成為研究碰撞問題最經濟快捷、有效的方法。

本文采用顯式非線性結構有限元動力分析程序LS-DYNA，分析平臺供應船在不同裝載情況下，以船中部位側向撞擊海洋平臺樁柱時船體舷側結構在碰撞過程中的動能-內能轉化情況及碰撞力變化特性，以此觀察平臺供應船碰撞時的結構破壞狀態。

2 有限元模型

根據船舶碰撞的局部損傷特性，本文僅建立了船體碰撞區域內模型。在碰撞區內按照實船結構的布局、板厚、骨架的信息建立了內部結構的計算模型，船體其它未建模型的質量以質量點形式加載在相應的船體結構上。為了觀察船體在碰撞過程中內部結構具體的變形過程，所有的結構都采用shell 163，將碰撞區域模型整體劃分網格后，為保證碰撞接觸面區域計算結果精確，對船體與平臺接觸面處網格進行適當加密。為確保船體與平臺樁柱碰撞時碰撞力在碰撞體之間合理的傳遞，因此船體與樁柱之間采用主從面接觸法。平臺樁柱模型采用等效樁法來體現平臺樁土的作用，根據《海上固定平臺入級與建造規范》的規定確定等效樁柱的長度，下端剛性固定、樁柱直徑為1.6 m、樁柱采用彈塑性材料。計算中平臺供應船的主要參數如表1所示，有限元計算模型見圖1。

在船舶與海洋平臺的碰撞過程中，材料對整船的耐撞性起到很大的作用，在碰撞時舷側碰撞區的板材將發生極大的變形，這種材料的應力-應變關系與LS-DYNA材料庫中的Cowper-Symonds模型符合。因此，在計算中設定船體碰撞區和平臺樁柱材料模型為Cowper-Symonds，楊氏模量E=2.1×1011 N/m2、密度為ρ=7 850 kg/m3、泊松比λ=0.3、屈服應力σ0=2.35×108 N/m2、硬化模量Es=1.18×109 N/m2、應變率強化參數C=40.4、P=5，碰撞考慮了碰撞體之間的摩擦對于碰撞數據的影響。

3 計算工況

平臺供應船與平臺樁柱碰撞時，周圍流體因吸收了大量的碰撞能導致運動規律急劇變化，船體周圍的流體對船體橫向運動產生很大的影響。本文采用附加質量法來體現附連水對碰撞的影響，基于Minorsky[8]對碰撞試驗的結果，假定橫漂運動的船體附加水質量為船體總重量的0.4，船體碰撞速度為設計航速11.5 kn。計算工況見表2。

4 計算結果與分析

平臺供應船與平臺樁柱碰撞過程中，船體結構以拉伸、褶皺、壓潰等塑性變形形式吸收了船體大部分的動能，船體動能越大，船體結構吸收的能量就越大，結構破損就越嚴重。圖2給出了平臺供應船碰撞結束后三種不同排水量下船體塑性變形圖。

從圖2可以看出，船體在碰撞點附近的船體結構受損嚴重，遠離碰撞點的船體結構基本沒有受到碰撞作用的影響。船體結構受損的主要形式為舷側外板的拉伸，以及甲板板、橫艙壁及內底板的褶皺、壓潰等。船體在空載時，船體結構受損較小，舷側外板僅在與橫艙壁相交處有較小的撕裂，甲板等結構也存在較小的擠壓變形；隨著船體排水量的增加，船體舷側外板撕裂明顯，且甲板等結構受擠壓、壓潰現象明顯，船體結構存在嚴重的破壞。

圖3為船體結構碰撞過程中的船體整體能量時序圖；表3列出為碰撞前的船舶動能、碰撞后的剩余動能和船體內能。

由圖3可知：船體動能在碰撞過程中始終大于零，這是因為船體碰撞點與船體重心的縱向坐標不重合，碰撞過程中，即使碰撞線速度為零船體仍具有繞平臺樁柱的角速度，其旋轉動能不為零；在不同裝載條件下，發生碰撞后船體的剩余動能與船舶排水量存在正相關的關系，排水量越大，其剩余動能也越大；碰撞發生后船體內能的增加也與船體質量成接近于正比例關系；當船體處于空載和適量裝載兩種工況時，船舶內能的變化規律基本相同，都是單一的線性變化過程；而對于滿載碰撞工況，內能在上升過程中增加速率有變化，碰撞的初始時刻內能增加較快，當內能增加到8 MJ時增速減慢，說明船體結構在此轉折點處有明顯的結構大量破壞，因此船體在初步設計時可以考慮將載重噸數降低以減小船舶與海洋平臺碰撞帶來的船體結構受損。

由表3還可知：碰撞前的船舶動能、碰撞后的剩余動能和船體內能，均與平臺供應船的裝載狀態相關，排水量越大，碰撞前船體的初始動能、碰撞后船體內能也越大；不同裝載量的平臺供應船碰撞發生后所造成的船體剩余動能差異不大；然而不同裝載量的平臺供應船在碰撞發生后，所造成的船體內能卻有較大的差別，船舶的裝載量越大，碰撞后船體內能也越大，這也意味著對于相同的碰撞速度，船舶的裝載量越大，越容易造成船體結構的破壞。

圖4給出了船體結構所受到的碰撞力時序圖。從圖4可以看出，隨著碰撞載荷質量（船舶排水量）的增加，船體所受的最大碰撞力隨之增加，碰撞作用的時間也有所增加。在三種不同裝載工況下，碰撞力曲線在增長階段重合，這說明在碰撞的初始階段，船體結構的破壞變形形式相類似，主要為舷側外板的拉伸、甲板等結構褶皺等方式吸收船體的動能；但碰撞力曲線在下降階段的形態存在明顯差異，裝載量越大，碰撞力時序變化曲線振蕩越明顯。這表明，隨著裝載量的增加，船體結構受損也越嚴重。碰撞力時序變化曲線的每一次振蕩，就意味著船體某一結構的破壞失效。

5 結論

通過對不同裝載條件下平臺供應船與樁柱結構碰撞問題的仿真計算，得出以下結論：

（1）碰撞對于船體結構的影響主要集中在結構的碰撞區內，碰撞持續的時間極短，在碰撞時間內船體內能快速增加，在碰撞嚴重時，發生碰撞區結構的撕裂、褶皺、壓潰等結構失效行為。

（2）對于大裝載量的碰撞工況，其碰撞過程的能量時序圖和碰撞力時序圖中，曲線在上升和下降過程中可以觀察到顯著的震蕩現象，每一次震蕩就意味著船體某一結構的破壞失效。

（3）船體碰撞前的船舶動能，以及碰撞后船體結構的剩余動能和船體內能均，與平臺供應船的裝載狀態相關，排水量越大，碰撞前船體的初始動能、碰撞后船體內能也越大，這也意味著船體結構更容易受到破壞。

參考文獻

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