半潛式海洋平臺與供應船尾部發生正碰分析

王 林，左華楠，劉 平，沈煒煒

(1. 江蘇科技大學 船舶與建筑工程學院，江蘇 張家港 215600；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；3. 江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212003)

半潛式海洋平臺與供應船尾部發生正碰分析

王 林1，左華楠2，劉 平3，沈煒煒2

(1. 江蘇科技大學 船舶與建筑工程學院，江蘇 張家港 215600；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；3. 江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212003)

隨著世界上海洋平臺的增多，船舶與海洋平臺的碰撞事故也隨之變多，碰撞事故往往產生巨大損失。為了研究其碰撞規律，本文基于有限元軟件 Ansys/Ls-Dyna，研究分析不同速度下供應船尾部與半潛式海洋平臺的碰撞，碰撞中的流體采用附加質量法處理。為確保計算結果精度，對碰撞的局部區域進行網格細化。計算結果表明，正碰時平臺內部結構單元首先發生破壞（內部結構指水平強框處單元），外板失效所需能量比內部結構大；當撞擊速度小于破壞速度時，單元沒有破壞，但當船回彈時，外板上的板單元產生振動，應力和能量產生短時間波動。

半潛式平臺；碰撞；振動

0 引 言

海洋結構物的安全性目前受到的關注越來越多。由于海洋油氣開采增多，所需要的海洋平臺因此變多，導致船舶與海洋平臺碰撞事故越來越多。Tebbet分析了世界上 100 起需要修理的海洋平臺的損傷原因，認為近 25% 的平臺損傷是由碰撞引起的。當發生碰撞事故時，會導致各方面巨大的損失，例如對環境的破壞，人員的傷亡，經濟的損失等。因此為了減少碰撞損失，很有必要研究海洋平臺的碰撞規律。

半潛式海洋平臺是一種大部分浮體沒于水面下的一種小水線面的移動式海洋平臺，由平臺本體、立柱和下體或浮箱組成。由于半潛式海洋平臺在波浪上的運動響應較小，目前應用越來越廣泛，在海洋工程中，不僅可用于鉆井，其他如生產平臺、鋪管船，供應船、海上起重船等都可采用。本文研究分析供應船與半潛式海洋平臺的碰撞過程。它是一個復雜的動力過程，涉及到的力學過程極為復雜。不但要考慮到平臺結構自身的動力、材料特性，還要考慮到供應船的特征以及船舶與海洋平臺周圍流場的相互影響。所以，要精確計算碰撞的力學特性比較困難，目前大多采用有限元分析法。

本文采用 Ansys/Ls-Dyna 軟件來模擬碰撞過程，其優點是非線性動力分析以及顯示積分求解，研究供應船與半潛式平臺碰撞后，平臺的應力與應變變化，碰撞力變化以及能量轉化，找出碰撞下的規律，為平臺安全性方面設計提供建議。

1 碰撞模型

船舶與海洋平臺發生碰撞的部位有首碰、尾碰與側碰。這 3 種情況下，側碰對海洋平臺的損傷最大，尾碰次之，首碰最小。因為側碰時，船舶帶動了較多的附連水，碰撞時的能量最大。根據文獻[4, 16, 17]，側碰時，附連水質量系數取 0.4，首碰和尾碰時附連水質量系數取 0.1。本文中供應船正常工作重量為 8 000 t、平臺總質量為 40 500 t，附連水使用附加質量法進行分析。

1.1 海洋平臺參數及模型

本文根據所提供的平臺的 CAD 圖紙，采用 Ansys分別建立平臺立柱、橫撐和浮箱模型，并對碰撞區域的網格單獨進行細化。

1.2 系統坐標

表1 供應船主尺度Tab. 1 The dimension of supplier ship

表2 平臺主尺度Tab. 2 The dimension of platform

坐標標記為（X，Y，Z）笛卡爾坐標系。坐標原點取在平臺中心處，X軸重合于基線，向平臺首部方向為正；Y軸垂直于中線面，向右舷為正；Z軸垂直于水線面向上為正。坐標以米為單位。本文中所用坐標系的示意圖如圖 2 和圖 3 所示。

供應船靠泊位置在平臺首尾 2 個立柱之間，供應船靠泊時，以船尾靠向平臺。所以供應船對平臺可能的撞擊位置為立柱外側平面或立柱過渡處（分別稱為正側撞和角撞）以及橫撐、下浮體構件。

1.3 邊界條件

本模型沒有對平臺上層建筑建模，與技術人員協商后，邊界條件取平臺立柱上端剛性固定[8-9]。

2 船舶碰撞的簡化算法

假設：

1）碰撞區域兩邊對稱，為矩形。

2）破壞產生在速度最小時（當速度為臨界速度時，破壞產生在速度降為 0 的時候），所有的動能全部轉化為破壞區域內的內能。若速度最小不為 0 時，這是動能碰撞前后的差量轉化為破壞區域的內能。

E0為彈性模量，E1為切線模量；ε0為彈性極限應變，ε1為斷裂極限應變；a0為假設破壞彈性區域半寬，a1為假設破壞塑性區域半寬；t為thickness；A為破壞區域面積；l:破壞區域長度；p0：彈性極限應力（E0/ε0）；p1為塑性極限應力與彈性極限應力之差。

塑性應變能

彈性應變能

形函數一階假設在塑性區域：ε1(x,y)=ε1(0)·y/a1；在彈性區域：ε0(x,y)=ε0(0)·y/a0。

因此

所以

計算下面這些數據得

用 Matlab 線性回歸得到的經驗公式為：

因為以塑性應變開始為正，所以彈性區域為負值，其絕對值為彈性區域大小。

注意的是，式（1）或式（2）必須在產生塑性變形時使用。

如果碰撞區域有環肋，則環肋先于外板破壞，式（2）可修正為：

式中：A0為環肋破壞吸收的能量；n為破壞區域內的數量；A0可由實驗確定。

由以上可知，當臨界破壞能由公式無肋或有肋確定后，由假設 2 即可求得臨界破壞船速。即

3 仿真結果分析

3.1 平臺立柱處碰撞分析

圖4～圖 6 為供應船船尾以 3 m/s 速度下正碰平臺立柱水平強框處應力、應變圖以及能量時歷圖。

從應力、應變時歷圖中可看到，船尾與平臺在0.06 s 時發生碰撞，碰撞剛開始時平臺立刻發生變形，與此對應的是產生彈性應變，隨著時間的推移，應力不斷增大直到超出極限應力后，單元產生塑性變形，此時對應的應變圖中為塑性應變。相應的，應力會進一步增大，其應力變化率剛開始時較大，因為剛開始時發生彈性應變，單元的應變率較大。之后，應力的變化率開始減小，因為此時發生塑性變形，此單元的應變率較小。

外板單元曲線到達 0.56 s 時，應變不再增加，但是對應的應力卻減小。可以得知碰撞已經結束，供應船往回彈，由于之后的變形為塑性變形，其不能恢復所以不發生變化，而彈性變形會減小，相應的應力也開始減小。

通過觀察碰撞區域應變圖可知，內部單元的應力和應變在 0.22 s 同時變成 0。這說明內部單元在此時已經失效，觀察其應變可知，此時，其塑性應變達到材料所定義的失效應變 0.34，單元自動失效[21]。并且根據應變時歷曲線可知單元完全失效，外板單元在 0.56 s時達到穩定的應變狀態，觀其應變可知外板單元并未失效。

從能量時歷圖可看到，船舶的動能轉化為平臺的勢能。碰撞過程中，船舶的動能急劇減小，平臺的勢能急劇增大。在大約 0.56 s 時，平臺的勢能達到最大而船舶的動能達到最小，這表明船舶此時處于最大碰撞。再這之后，平臺的勢能略微減少，船舶的動能略微增加，說明碰撞達到最大值之后，平臺對船舶產生反作用，使船向反方向運動。大約在 0.75 s，平臺的勢能與船舶的動能趨于穩定。

從圖中可知，外板單元沒有失效。通過讀取能量曲線（internal energy），內部結構單元對應時間-能量點為 (0.19,1.562783×107)，外板單元時間-能量點為(0.568,3.908599×107)，所以供應船正碰立柱水平強框處的最小極限破裂速度估算如下：

可知，外板單元并未破壞，所以船尾正碰平臺立柱時，平臺內部單元首先發生破壞，內部結構是指水平強框處單元，外板失效所需能量比內部結構失效所需能量大。

3.2 平臺下浮體處碰撞分析

圖7～圖 9 為供應船以 1 m/s 的速度正碰下浮體上部過渡處的應力、應變以及能量時歷圖

從應力曲線可看到，供應船在 0.34 s 時與平臺碰撞，應力急劇增大，在 0.5 s 時達到最大值，之后應力下降，說明供應船已經回彈，接著，應力在短時間內產生低頻率的波動。

從應變曲線可看出，0.5 s 之后，平臺的應變不再變化，而應力卻開始減小。可以知道碰撞已經結束，塑性變形由于不能恢復而不發生變化，彈性變形會減小，所以應力減小。圖中最大應變為 0.076，小于材料的失效應變 0.34。單元沒有被破壞。

從能量圖可看出，船舶的動能轉化為平臺的勢能。大約在 0.4 s 時，平臺的勢能和船舶的動能產生短時間的低頻波動，船舶的動能與平臺勢能之和略小于船舶初始動能[18]。可以推測平臺可能發生短時間內的低頻振動。

4 結 語

本文分析了供應船與半潛式平臺的碰撞，得出了半潛式海洋平臺在供應船尾碰撞下的應力、應變與能力交換的時程結果同時，通過這些計算，得出如下規律：

1）碰撞過程中正碰時內部結構單元首先發生破壞-此處內部結構是指水平強框處單元，外板失效所需能量比內部結構失效所需能量大。以上碰撞水平強框處時，可充分接觸水平強框，導致水平強框先破壞。所以，水平強框起到了吸收能量，保護外板的作用。但水平強框間隔不宜過小，使得結構過強，進而使外板在被碰撞時直接破壞。

2）撞擊位置的不同，能量轉化也不一樣。當撞擊速度小于破壞速度時，單元沒有破壞，當船回彈時，外板上的單元由于彈塑性材料及彈性應變的影響導致板單元產生“振動”過程，應力和能量產生短時間波動，但這種低速碰撞導致外板產生的低速低頻振動，對于工作時的平臺，會造成很大的影響，平臺無法正常工作，是平臺設計時應注意的一點。

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Simulation analysis of the frontal collision between semi-submersible platform and stern of the supply ship

WANG Lin1, ZUO Hua-nan2, LIU Ping3, SHEN Wei-wei2
(1. Jiangsu University of Science and Technology, Ship and Architectural Engineering School, Zhangjiagang 212003, China; 2. Jiangsu University of Science and Technology, Naval Architecture and Ocean Engineering School, Zhenjiang 212003, China; 3. Jiangsu University of Science and Technology, Civil and Architecture School, Zhenjiang 212003, China)

Due to the increase of the ocean platforms, the frequency of collision between ship and platforms becomes more and more high, causing huge losses. In order to study the law of collision between ship and platform, this paper, based on the finite element software Ansys/LS-DYNA, studying on the collision between ocean platform and stern of ship in different speed, fluid in collision is treated in the way of additional mass. Local area of collision is conducted mesh refinement in sure of the accuracy of computation. The result show that the internal structural unit of the platform is destroyed first when frontal collision happens, outer panel need more energy than internal structure when unit fail. When impact velocity is less than failure velocity, unit is not destroyed. However, when ship springs back, unit of outer panel will vibration, stress and energy will have short-time fluctuate.

semi-submersible platform；collision；vibration

U661.43

A

1672 - 7619(2017)04 - 0069 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.014

2016 - 07 - 30；

2016 - 08 - 29

王林(1963 - )，男，教授，研究方向為船舶與海洋工程結構力學。