不同装载条件下平台供应船与桩柱碰撞的结构动力响应

鲁宇帆　吴家鸣　廖华　卢立桦

摘 要：本文利用结构有限元软件，分析平台供应船与平台桩柱的碰撞所引起的结构动力响应，观察平台供应船在不同装载情况下碰撞桩柱时船体动能与船体内能转化关系，以及碰撞过程中碰撞力随时间的变化。计算结果表明：随着供应船排水量的增加，碰撞过程中船体所吸收的动能也随之增加，排水量的改变将导致船体所受到的最大碰撞力和碰撞过程的时间发生变化，排水量越大，船体所受的碰撞力也越大，发生碰撞的时间也越长，导致船体结构发生破坏的可能性也在增加。

关键词：平台供应船；碰撞；船体损伤

中图分类号：U661.42 文献标识码：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

随着对海洋油气资源开采的日益增多，海洋工程船舶的碰撞问题越来越引起人们的关注。平台供应船在靠泊海洋平台的作业过程中，由于受到风、浪、流等复杂海况及人为因素等方面的影响，极易发生碰撞的问题。船与海洋平台的碰撞发生在极短的时间内，这期间船体的动能转化为结构内能以及塑性能等，若碰撞能量超出结构的弹性阶段而进入塑性流动状态，就有可能引起船体结构出现撕裂、屈曲等各种形式的破坏或失效，因此对平台供应船与平台桩柱碰撞下船体结构动力响应分析，对于判断船舶结构是否安全具有重要的意义。

对于船舶碰撞问题，传统的研究方法主要有解析法[1-2] 、经验方法[3]和试验方法[4]，这些方法具有各自的应用对象与适用范围。随着计算机硬件与非线性有限元技术的发展，有限元法[5-6]逐渐成为研究碰撞问题最经济快捷、有效的方法。

本文采用显式非线性结构有限元动力分析程序LS-DYNA，分析平台供应船在不同装载情况下，以船中部位侧向撞击海洋平台桩柱时船体舷侧结构在碰撞过程中的动能-内能转化情况及碰撞力变化特性，以此观察平台供应船碰撞时的结构破坏状态。

2 有限元模型

根据船舶碰撞的局部损伤特性，本文仅建立了船体碰撞区域内模型。在碰撞区内按照实船结构的布局、板厚、骨架的信息建立了内部结构的计算模型，船体其它未建模型的质量以质量点形式加载在相应的船体结构上。为了观察船体在碰撞过程中内部结构具体的变形过程，所有的结构都采用shell 163，将碰撞区域模型整体划分网格后，为保证碰撞接触面区域计算结果精确，对船体与平台接触面处网格进行适当加密。为确保船体与平台桩柱碰撞时碰撞力在碰撞体之间合理的传递，因此船体与桩柱之间采用主从面接触法。平台桩柱模型采用等效桩法来体现平台桩土的作用，根据《海上固定平台入级与建造规范》的规定确定等效桩柱的长度，下端刚性固定、桩柱直径为1.6 m、桩柱采用弹塑性材料。计算中平台供应船的主要参数如表1所示，有限元计算模型见图1。

在船舶与海洋平台的碰撞过程中，材料对整船的耐撞性起到很大的作用，在碰撞时舷侧碰撞区的板材将发生极大的变形，这种材料的应力-应变关系与LS-DYNA材料库中的Cowper-Symonds模型符合。因此，在计算中设定船体碰撞区和平台桩柱材料模型为Cowper-Symonds，杨氏模量E=2.1×1011 N/m2、密度为ρ=7 850 kg/m3、泊松比λ=0.3、屈服应力σ0=2.35×108 N/m2、硬化模量Es=1.18×109 N/m2、应变率强化参数C=40.4、P=5，碰撞考虑了碰撞体之间的摩擦对于碰撞数据的影响。

3 计算工况

平台供应船与平台桩柱碰撞时，周围流体因吸收了大量的碰撞能导致运动规律急剧变化，船体周围的流体对船体横向运动产生很大的影响。本文采用附加质量法来体现附连水对碰撞的影响，基于Minorsky[8]对碰撞试验的结果，假定横漂运动的船体附加水质量为船体总重量的0.4，船体碰撞速度为设计航速11.5 kn。计算工况见表2。

4 计算结果与分析

平台供应船与平台桩柱碰撞过程中，船体结构以拉伸、褶皱、压溃等塑性变形形式吸收了船体大部分的动能，船体动能越大，船体结构吸收的能量就越大，结构破损就越严重。图2给出了平台供应船碰撞结束后三种不同排水量下船体塑性变形图。

从图2可以看出，船体在碰撞点附近的船体结构受损严重，远离碰撞点的船体结构基本没有受到碰撞作用的影响。船体结构受损的主要形式为舷侧外板的拉伸，以及甲板板、横舱壁及内底板的褶皱、压溃等。船体在空载时，船体结构受损较小，舷侧外板仅在与横舱壁相交处有较小的撕裂，甲板等结构也存在较小的挤压变形；随着船体排水量的增加，船体舷侧外板撕裂明显，且甲板等结构受挤压、压溃现象明显，船体结构存在严重的破坏。

图3为船体结构碰撞过程中的船体整体能量时序图；表3列出为碰撞前的船舶动能、碰撞后的剩余动能和船体内能。

由图3可知：船体动能在碰撞过程中始终大于零，这是因为船体碰撞点与船体重心的纵向坐标不重合，碰撞过程中，即使碰撞线速度为零船体仍具有绕平台桩柱的角速度，其旋转动能不为零；在不同装载条件下，发生碰撞后船体的剩余动能与船舶排水量存在正相关的关系，排水量越大，其剩余动能也越大；碰撞发生后船体内能的增加也与船体质量成接近于正比例关系；当船体处于空载和适量装载两种工况时，船舶内能的变化规律基本相同，都是单一的线性变化过程；而对于满载碰撞工况，内能在上升过程中增加速率有变化，碰撞的初始时刻内能增加较快，当内能增加到8 MJ时增速减慢，说明船体结构在此转折点处有明显的结构大量破坏，因此船体在初步设计时可以考虑将载重吨数降低以减小船舶与海洋平台碰撞带来的船体结构受损。

由表3还可知：碰撞前的船舶动能、碰撞后的剩余动能和船体内能，均与平台供应船的装载状态相关，排水量越大，碰撞前船体的初始动能、碰撞后船体内能也越大；不同装载量的平台供应船碰撞发生后所造成的船体剩余动能差异不大；然而不同装载量的平台供应船在碰撞发生后，所造成的船体内能却有较大的差别，船舶的装载量越大，碰撞后船体内能也越大，这也意味着对于相同的碰撞速度，船舶的装载量越大，越容易造成船体结构的破坏。

图4给出了船体结构所受到的碰撞力时序图。从图4可以看出，随着碰撞载荷质量（船舶排水量）的增加，船体所受的最大碰撞力随之增加，碰撞作用的时间也有所增加。在三种不同装载工况下，碰撞力曲线在增长阶段重合，这说明在碰撞的初始阶段，船体结构的破坏变形形式相类似，主要为舷侧外板的拉伸、甲板等结构褶皱等方式吸收船体的动能；但碰撞力曲线在下降阶段的形态存在明显差异，装载量越大，碰撞力时序变化曲线振荡越明显。这表明，随着装载量的增加，船体结构受损也越严重。碰撞力时序变化曲线的每一次振荡，就意味着船体某一结构的破坏失效。

5 结论

通过对不同装载条件下平台供应船与桩柱结构碰撞问题的仿真计算，得出以下结论：

（1）碰撞对于船体结构的影响主要集中在结构的碰撞区内，碰撞持续的时间极短，在碰撞时间内船体内能快速增加，在碰撞严重时，发生碰撞区结构的撕裂、褶皱、压溃等结构失效行为。

（2）对于大装载量的碰撞工况，其碰撞过程的能量时序图和碰撞力时序图中，曲线在上升和下降过程中可以观察到显著的震荡现象，每一次震荡就意味着船体某一结构的破坏失效。

（3）船体碰撞前的船舶动能，以及碰撞后船体结构的剩余动能和船体内能均，与平台供应船的装载状态相关，排水量越大，碰撞前船体的初始动能、碰撞后船体内能也越大，这也意味着船体结构更容易受到破坏。

参考文献

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