冰介质下的船舶与海洋平台碰撞的数值仿真分析_杨亮

第23卷第2期2008年4月中国海洋平台C H I NA OFFS HORE PLATFORM V o.l 23N o .2A pr .,2008收稿日期:2007-11-21作者简介:杨亮(1982-),男,硕士研究生,从事船舶与海洋结构物的结构强度和振动分析。

文章编号:1001-4500(2008)02-029-05
冰介质下的船舶与海洋平台碰撞的数值仿真分析
杨 亮, 马 骏
(大连理工大学,大连116023)
摘 要:采用流固耦合方法,建立以海冰作为中间介质的船舶与海洋平台碰撞的非线性有限元分
析模型,对碰撞过程进行数值仿真模拟。

对有无冰介质存在下的碰撞结果进行对比,并分析海冰范围对
被撞平台的影响。

仿真结果表明,由于冰介质的作用,海洋平台的结构变形受到一定程度的削弱。

关键词:碰撞;数值仿真;非线性有限元;冰介质
中图分类号:P 75 文献标识码:A
NU M ER I CAL SI MULATI ON ANALYSIS FOR THE COLL ISI ON BET W EEN
OFFS HORE PLATFOR M UNDER THE S EA I CE M ED I U M
YANG L iang , M A Jun
(Dalian U niversity o fTechno logy ,D alian 116023,China)
Abstract :Adopted the m ethod of fluid -structure interation and based on t h e ship and
p l a tfo r m s co lli d i n g under non -linear finite e le m entm odel o f sea ice as the m ed i u m,t h is paper
si m u lates t h e co lliding process nu m erically ,co m pares t h e resu lts of co llision under cond iti o n
w ith or w ithout sea ice m ed i u m and analyzes the influence on p latfor m by the range o f sea ice .
The results of si m ulation i n d icate that t h e defor m ati o n of the offshore p latfor m i m pairs to so m e
extent due to sea ice m edi u m.
K ey words :collisi o n ;num erical si m ulation ;non -li n ear fi n ite e le m en;t sea ice ded i u m
近些年来,陆上资源日渐枯竭,资源开发向海洋,尤其是深海进军已成必然趋势。

而作为海上石油开采主体结构的海洋平台,其建造、使用的安全性也越来越多地受到人们的关注。

海洋平台与船舶尤其是大型商船的碰撞,造成的后果往往是灾难性的,不仅严重影响了平台结构的安全度、耐久性和正常使用,还可能危及工作人员的生命安全。

目前我国的油气开采主要集中在浅海海域,自行建造的海洋平台主要是固定式的导管架平台和自升式平台。

在我国渤海和黄海北部是油气开发的主要区域,尤其在渤海湾地区由于受到西伯利亚南下冷空气的影响,每年冬季都会出现大约3个月的结冰期。

对于这一地区的海岸和近海工程,海冰是一个无法回避的设计条件。

每年的结冰期和融冰期,在固定的海洋平台的周围由于受到不同方向的海流和风力的作用都会堆积形成一定范围的冰区。

补给船、安装船或者大型商船如果与平台发生碰撞,这部分海冰就充当了碰撞两者间的介质。

本文针对海冰对碰撞结果所造成的影响进行研究。

1 碰撞仿真的流固耦合算法
对船舶与海洋平台的碰撞问题的研究主要有经验方法、解析方法、试验方法和有限元数值仿真方法。

试验方法最为准确,但耗费大量的财力和人力。

而通过非线性显式有限元软件对碰撞过程模拟可以获得精确的分析结果,它不仅能够计算碰撞区的结构损伤变形与碰撞力,而且还结合了外部机理的分析与计算,可以仿真碰撞现象,实现 虚拟碰撞 。

在采用有限元软件对船舶与海洋平台的碰撞进行数值仿真模拟时,主要采用3种方法进行:等效船体梁法、附加水质量法和流固耦合法。

等效船体梁法将碰撞过程中未发生损伤变形的船体和平台结构质量部分分离出来,以等效船体梁的方式加到碰撞区的结构有限元模型上。

由于过于简化,必然造成传力过程上的差异,带来船体运动的提前或滞后,从而直接影响船体动能的变化曲线。

附加水质量法是将相撞船舶和海洋平台周围水的影响以附加质量的形式加以考虑,节约了计算时间,但会增加局部质量,可能造成碰撞变形过小或者一定的滞后性。

船舶与海洋平台的碰撞属于典型的流固耦合问题,而随着计算机硬件和软件技术的发展,完全可以在个人计算机上稳定地运行分析小规模的流固耦合问题,流固耦合方法也是更贴近实际的一种算法。

现在许多商用有限元分析程序,如ANSYS /LS-DYNA 、MSC .DYTRAN 、ABAQUS 等都可以应用流固耦合进行碰撞仿真。

本文采用ANSYS /LS-DYNA 进行碰撞数值仿真计算。

在建立仿真模型时,采用分开重叠建模的方法。

对流体部分采用Euler 网格进行划分,而对固体部分则采用Lagrange 网格进行划分,两者之间通过任意拉格朗日-欧拉方法(A r b itrary Lagrang i a n-Eulerian ,简称ALE )进行耦合计算。

在ANSYS /LS-DYNA 中是通过关键字*CONSTRA I N ED _LAGRANGE _I N _SOLI D 实现结构与流体间的耦合的。

2 碰撞仿真关键技术
2.1 模型材料选择
在碰撞船的作用下,被撞平台构件可能发生大的塑性变形,如何合理地选择结构材料的本构关系,是碰撞模拟分析中的重要内容。

本文对碰撞船和被撞平台采用塑性动态模型(P lastic K i n e m atic M ode l),考虑应变硬化,并预先假设一个最大塑性失效应变,一旦所计算的单元达到最大塑性失效应变,则该单元破裂,应力等于零,不能再承受任何外荷。

对于本文所研究的计算模型,其参数设置见表1。

在应用ANSYS /LS-DYNA 对冰的仿真模拟方面,H yonny K i m [1]等曾对冰雹对建筑物的撞击以及K elly
S.Car ney [2]等对高速冰碰撞进行仿真模拟。

国内在研究海冰与海洋结构物碰撞接触方面,杜小振、岳前进
[3]
等对海冰与海洋结构物的快速挤压破坏进行了分析。

结合李志军[4]等对渤海海冰工程设计参数的调查统
计,本文所模拟的海冰则采用LS-DYNA 材料库中的第13号材料模型,各向同性弹性断裂模型(*MAT _I -SOTROPI C _ELAST I C_FA I L URE)。

模型的参数设置见表2。

表1 塑性动态材料模型的参数设置
材料属性
数 值材料密度( )
7800kg /m 3弹性模量(E )
2.1 1011N /m 2泊松比(V )
0.3硬化模量(E tan )
1.18 109N /m 2屈服应力( y )
2.35 108N /m 2硬化参数( )
0应变率参数(P )
5应变率参数(C )
40.4失效应变(
)表2 各向同性弹性断裂模型的参数设置材料属性数 值材料密度900kg /m 3剪切模量2.20GP a 屈服应力2.12M Pa 塑性硬化模量4.26GP a 体积模量5.26GP a 塑性失效应变0.35截断压力-4M Pa 30 中国海洋平台 第23卷 第2期
2.2 接触的定义
ANSYS /LS-DYNA 程序定义的接触一般有3种:面与面的主从接触、单面接触和离散点与面的主从接触。

面-面接触类型包括STS ,OSTS ,ASTS ,TDSS,TSTS ,ESTS,SE ,FSTS ,FOSS ,TSES 等。

当一个物体的表面穿透另一个物体的表面时需使用面-面接触,这种接触是最常用的接触。

在本文研究中,主要用到碰撞船与被撞的平台桩腿之间的接触,碰撞船与海冰的接触,因而选用侵蚀接触(ESTS)。

侵蚀接触是用于一个或者两个表面的单元在接触时发生材料失效,接触依旧在剩余的单元进行。

在碰撞仿真中,接触是一个比较复杂的问题,在计算开始前,计算者要对结构有可能发生的接触现象有所把握,做到没有遗漏。

其次由于接触计算耗时多,要尽量避免定义不可能发生的接触以缩短计算时间。

同时对于主从接触问题,要根据网格大小,正确选取主面和从面,使从面的网格比主面的更密。

3 建立碰撞仿真模型
本文的模型取碰撞船前进方向朝着平台中心方向与被撞平台发生正撞的情况。

本例中的被撞平台导管架结构总高35m,由两层横撑构成,其中第二层横撑距基底为25.5m 。

取碰撞时的工况为水深29m,被撞位置在一、二层横撑之间。

导管架上方为固定的上层建筑,重约4000,t 以集中力的形式平均加在平台四个桩腿封口处。

碰撞船是带有球鼻艏的30000t 商船,由于主要研究被撞平台的破损情况,考虑到为了减少计算时间,对碰撞船采取简化的建模方式。

将碰撞船简化为一刚性船头,碰撞船的质心和总质量则通过关键字*PART _I N ERTI A
添加到刚性船艏上。

图1 冰介质下碰撞有限元模型
取碰撞船的初速度为4m /s ,取渤海湾地区25年重现期的冰
厚30c m 。

对实体单元进行网格划分,得到整个仿真模型共包括
40669个节点和47774个单元。

其中包括船艏与平台采用shell
单元模拟的桩腿和斜撑的12787个壳单元;用来模拟海水和海冰
的34987个实体单元。

碰撞仿真的有限元模型如图1所示。

4 数值仿真结果及其分析
4.1 碰撞模型与流体之间的相互作用碰撞模型与流体间的相互作用可以通过流体的应力体现出来。

在碰撞船还未与平台发生接触之前,只与流体之间发生作用,在图2中可以看到,受到船艏的干扰,流体在船艏的前方和周围已经产生很小的应力;而随着碰撞船与海冰和平台的接触直至平台产生整体的位移,海冰的破裂与移动使之与海水产生强烈的耦合,同时在桩腿附近,桩腿-船艏之间流体又产生了相对较大的应力,说明流体受到了两者碰撞的强烈干扰,
与两者之间发生了耦合作用。

图2 碰撞模型与流体之间的相互作用
31 第2期 杨 亮等 冰介质下的船舶与海洋平台碰撞的数值仿真分析
4.2 海冰的破坏过程
由海冰破裂的变形时序图(图3)可以看到,在初始时只是在船艏与海冰接触的局部区域产生破裂(图3(a)所示)。

随着时间的深入,船艏开始与平台桩腿发生接触,碰撞力逐渐沿着平台横撑的方向传递到其他未与船艏直接接触的结构,海冰的裂缝也沿着相同的方向开始向外扩散,并逐渐增大(图3(b)所示)。

(a) (b)
图3 海冰介质的破坏时序图
4.3 被撞平台的破坏过程
由冰介质存在下的被撞桩腿的应力变化时序图(图4)可以看到:从船艏与海冰发生作用之后,海冰将碰撞力传递给与之相连的桩腿,这时平台桩腿的应力最大值超过了静力屈服极限325MPa 达到了342.5MPa 。

随着碰撞的继续深入,在船艏与桩腿开始接触后,桩腿的应力值开始急剧增加,并很快达到动力屈服极限,当最大应力值达到632M Pa 后,
碰撞的桩腿开始有单元发生失效破坏。

32 中国海洋平台 第23卷 第2期
4.4 与无冰介质情况的结果对比分析
通过图5、图6可以看到,在没有海冰存在的情况下,碰撞力和变形能曲线表现为在0.6s 左右突然变化增大。

而在海冰充当中间介质的情况下,两条曲线在急剧变化增大之前,出现缓慢的上升阶段,说明了这阶段的碰撞主要集中在船艏与海冰的相互作用上,碰撞力通过海冰的挤压传递给海洋平台的桩腿。

在有海冰存在的情况下,无论是碰撞力还是变形能曲线都表现为一定的滞后性,并且峰值低于没有海冰的情况。

4.5
不同范围的海冰对碰撞结果的影响
图7 不同海冰范围的最大碰撞力曲线
考虑到充当船舶与海洋平台碰撞中间介质的海冰的范
围会对碰撞结果造成一定的影响,本文选取海冰前缘距被
撞桩腿的距离分别为2m,7m,12m,17m 进行碰撞仿真模
拟,得到不同的海冰范围对应的最大碰撞力值如图7所示。

从图中可看到在海冰前缘距被撞桩腿2m 时的最大碰撞力
是467MN,而距被撞桩腿17m 时的最大碰撞力是423MN,
最大碰撞力减少了9.4%。

5 结 论
本文利用ANSYS /LS-DYNA 进行冰介质下的船舶与
海洋平台的碰撞仿真模拟;得到了海冰的破损情况,被撞平台桩腿结构损伤变形情况和能量之间转换情况的一般性结论。

经过对仿真结果的分析,得到以下一些主要结论:
(1)利用非线性有限元程序进行碰撞仿真,可以直观地显示碰撞的整个过程,得到碰撞力时程曲线和被撞平台的变形能时程曲线,了解构件的变形模式及损伤的程度,为进行海洋平台耐撞性能研究提供了有力工具。

(2)通过流固耦合方法,真实地模拟了碰撞结构与流体之间的相互作用。

通过仿真模拟也真实地呈现了海冰的断裂破坏情况。

(3)通过对碰撞结果的分析,说明在海冰充当碰撞中间介质的情况下,海冰对被撞平台的桩腿起到了一定的保护作用,使海洋平台承受到更小的碰撞力和产生更小的变形能。

海冰范围越大,碰撞过程中产生的最大碰撞力值越小,对平台造成的伤害也就越小。

参考文献
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33 第2期 杨 亮等 冰介质下的船舶与海洋平台碰撞的数值仿真分析。