水下管匯入水沖擊數值模擬研究

曹先凡，王姝媛，王 琮，張愛霞，姚志廣

1.中國石油集團海洋工程有限公司，天津 300451

2.中國石油天然氣集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

3.中國石油天然氣銷售公司，北京 100007

水下管匯是海洋工程的重要組成部分，其安裝下放時固定于框架之上，入水階段受到海水的沖擊，框架強度安全是保證其順利就位的關鍵因素。海水沖擊下管匯框架的響應分析需要考慮框架和海水之間的流固耦合作用。拉格朗日分析（Lagrangian analysis）中材料與網格關聯，適用于結構變形的模擬。歐拉分析（Eulerian analysis）方法中網格固定，材料在單元間流動，可有效解決流體問題。管匯入水需要考慮結構和流體交界面模擬問題，耦合歐拉-拉格朗日算法（CEL）通過歐拉-拉格朗日的定義和求解成為解決該問題的重要手段。通用有限元軟件ABAQUS 開發的CEL 模塊已經被廣泛應用于汽車、航天及海洋工程等眾多領域，該模塊可以模擬固體-泥土[1-6]、固體-液體[7-11]、固體-空氣[12-17]之間的相互作用。

本文基于ABAQUS CEL 數值模擬方法，對管匯入水時框架的響應進行數值模擬研究，為管匯下放安全提供技術支持。

1 數值模型

針對管匯下放工況中框架受力特點建立有限元模型：框架底層承受入水沖擊載荷，可選取底層主要結構進行入水過程的數值模擬，本文管匯框架底層主要由兩種工字梁構成，選取這兩種工字梁進行了建模；管匯框架入水受到沖擊后，入水速度低于上部吊鉤下放速度，此時管匯框架不承受吊索拉力作用，因此，模擬不考慮吊索拉力。在該模型中工字梁采用拉格朗日網格，海水采用歐拉網格。

1.1 整體模型構建

管匯框架入水相關的主要模型有：工字梁、海水域。以下給出整體模型的構建過程。

1.1.1 管匯框架底層主要工字梁模擬

管匯框架如圖1所示，其底部工字梁分為兩類：H440 和H300，最大跨度為4.05 m。所建工字梁模型如圖2所示，腹板和翼板采用殼單元模擬，主要參數見表1。設置工字梁入水初始速度為1.00 m/s。

圖1 管匯框架示意

圖2 工字梁模型（H440）

1.1.2 歐拉域及初始海水域

歐拉域及初始海水域見圖3，歐拉域為整個長方體，采用歐拉網格離散。歐拉域由海平面分為兩部分，海平面以下為初始海水域。為消弱邊界影響，初始海水域的長度約為工字梁長度的3 倍，水深約為工字梁高度的3倍，歐拉域及初始海水域的主要尺寸見表2，海水主要參數見表3。海水建模為一種幾乎不可壓縮的黏性牛頓流體，采用線性Us-Up狀態方程描述。

圖3 歐拉域及初始海水域設置

表2 歐拉域及海水域主要尺寸

表3 海水主要參數

水介質的體積強度及靜水狀態體積響應特性定義如下：

式中：p為壓強，Pa；ρ0為參考密度，kg/m3；c0為水中聲速，m/s；η為名義體積壓縮應變，η= 1-ρ0/ρ；Γ0為Gruneisen 常數，無量綱；Em為單位質量的內能，N·m/kg；s為無量綱系數，c0和s定義沖擊波速度Us和粒子速度Up之間的線性關系如下：

水黏性剪切性質定義如下：

式中：S為應力偏量，Pa；為應變率偏量，s-1；μ為動力黏度，Pa·s；為工程偏應變率，s-1。

1.1.3 模型組裝

將工字梁和歐拉域裝配至1個模型，見圖4。

圖4 組裝模型示意

1.2 管匯質量影響分析及載荷施加

管匯及框架入水時，框架除了承受管匯產生的重力作用外，還應考慮管匯質量在動力分析中的作用。本文通過等效質量的方式考慮了管匯質量的影響，即框架的等效質量與框架、管匯質量之和相同，然后將框架等效質量均勻分布在各個工字梁上。在數值模型中通過設置材料密度計算等效質量。

2 模擬結果

通過數值模型模擬了管匯框架工字梁入水過程，給出了工字梁的速度變化和應力，分析了入水速度對工字梁應力的影響。

2.1 入水過程

圖5給出了工字梁入水的過程。

圖5 工字梁入水過程

2.2 速度-時間歷程

圖6 為下放速度為-1 m/s 時工字梁下翼板中點豎向速度與時間的關系曲線，可以看出工字梁在與水面接觸后，速度由1 m/s 降低至0.97 m/s，在0.002 s 以后速度超過1 m/s。說明工字梁即使有吊索約束，在此階段也不承受吊索拉力。

圖6 工字梁下翼板中點豎向速度與時間的關系

2.3 應力分析

針對H440 工字梁下放，計算了不同時刻應力場。對于工字梁下翼板中點給出了應力隨時間的變化（見圖7），可以看出應力呈現兩個級別的周期變化，短周期約0.003 5 s，長周期約0.03 s，最大應力出現在第一個短周期內，為38.45 MPa。圖8給出了0～0.004 s內的工字梁應力分布。

圖7 工字梁下翼板中點應力與時間的關系

圖8 工字梁應力分布

2.4 初始入水速度對最大應力的影響

管匯入水工況的主要參數為初始入水速度，初始入水速度對框架主要工字梁最大應力的影響見圖9，最大應力和初始入水速度基本呈線性關系，同時也可看出，H440最大應力稍大于H300。

圖9 初始入水速度與最大應力的關系

3 結論

本文根據管匯框架入水受力特點，采用耦合歐拉-拉格朗日方法（CEL）模擬了管匯框架主要結構（工字梁）入水過程，給出了工字梁速度-時間歷程、應力-時間歷程、應力分布圖以及入水速度對最大應力的影響，為管匯入水工況安全分析提供了方法支持。