船舶与海洋平台碰撞响应与结构损伤分析

船舶与海洋平台碰撞响应与结构损伤分析

方超冯贞兵

扬州中远海运重工有限公司江苏扬州225200

摘要：随着近几年社会的不断发展，各种资源不断开始短缺，开发海洋资源成为刻不容缓的要求。如果我们想要开采海洋油气资源，就需要一个基础性设施，那就是海洋平台。我们都知道，在海上工作，需要面临各种各样的困难，工作时间长，工作的环境又特别差，所以海洋平台总会遇到各种各样的不同的碰撞问题，虽然船舶与海洋平台经常会发生碰撞，但是这并不代表船舶与海洋平台的碰撞的危害小，正好相反，船舶与海洋平台相撞往往造成巨大的破坏，甚至是灾难性的破坏。所以，为了能够减轻船舶与海洋平台相撞所造成的危害，我们应该不断的进行相关研究，仔细分析碰撞的力学机理，通过对海洋平台中典型圆管构件的碰撞损伤、导管架平台碰撞损伤特性研究、自升式平台碰撞损伤特性研究的研究与分析，从而保证人员安全，减轻海洋环境污染。

关键词：碰撞；非线性；有限元；动力特性

近些年来，常用能源正在不断减少，能源短缺的现象越发严重。而船舶与海洋平台的碰撞是船舶与海洋平台在短时间碰撞的一个过程。但是，船舶与海洋平台的碰撞还受到很多因素的影响，不同的速度、角度、碰撞部位等因素都会有不同的危害。我们要仔细研究各种不同的情况下碰撞的危害应该如何解决，从而保护人身安全以及海洋环境。

一、船舶与海洋平台碰撞方法研究

对于撞击而言，我们习惯性把平台碰撞按力学的机理分为两种，即外部碰撞力学(或称外部机理)和内部碰撞力学(或称内部机理)两部分。外部撞击力学就如字面意思一样，主要是描述了船舶外部的撞击损伤和撞击所消耗的能量。内部碰撞力学则是一种非线性关系，线性关系主要是用来求解碰撞区域结构的损伤变形与碰撞载荷之间的关系。对于外部碰撞动力学的研究手段，现阶段我们主要使用的是解析法；对内部动力学的研究，研究手段则主要是非线性有限元法。为了更好的研究平台碰撞外部动力学的解析法，我们需要不断的对其进行了消化、吸收和整理,最好能最终得到一个有关于碰撞力、船舶吸能、平台吸能的理论表达式，并且还需要研究这种方法现有的局限性，并不断进行改进与发展。同时，我们还要了解另外一种方法，那就是非线性有限元法。要了解这种方法对于碰撞研究来说的重要性。如果使用这种方法研究，我们就需要了解平台碰撞数值仿真中所涉及到的基本原理和关键技术。还需要对于显式非线性有限元方法的基本理论、考虑应变率影响的弹塑性材料模型、接触摩擦各个算法等问题进行探讨。

二、各种碰撞损伤的分析

2.1海洋平台中典型圆管构件的碰撞损伤

在现在的海洋工程建造中，由于圆管构件对海水的阻力系数较小，所以现阶段在海洋工程当中被普遍使用。海洋平台的各个部分和各种材料管道等都经常使用圆管构件。在圆管构件的维护和使用过程当中，极有可能要遭受各种各样的意外撞击，比如供用的船和平台的意外碰撞、平台上不时落下的重物对平台的碰撞、海中浮冰对导管架的撞击等等。在这些撞击当中，多数的撞击是属于那种低速度大能量的撞击，在圆管受到这种低速度大能量的侧向方向的撞击时,往往会在撞击点的这个局部和撞击的整个结构当中引起一个巨大的变形，从而导致这个受撞击物刚度和强度的两重降低，乃至了整个受撞击结构的失效或破坏。因此，在海洋工程建造的强度设计时，必须考虑到平台圆管在收到撞击时能承受的能量。我们可以采用一些新的软件来研究和分析圆管收到撞击时可以承受的能量和变形情况以及能量吸收程度，并且我们还需要分析结构的在受力时和变形时的不同特征，以及两种情况下的吸能特性,并且用相关公式进行比较与分析。同时还分析其他一些外界因素对圆管构件碰撞时的影响。我们都知道，能够极大影响变形模式和吸收能力最关键的因素就是管件的几何尺寸。因此，在海洋工程设计结构设计初始的阶段时，要从各个不同的方面考虑其结构尺寸。

2.2导管架平台碰撞损伤特性研究

在海洋工程——海洋油气开发中，我们使用最多的平台结构就是钢质导管架平台，这种结构能够忍受恶劣的海洋工作环境，工作时间长，腐蚀性大等。要知道，在海洋中工作，除了受到正常的工作消耗之外，海洋平台还要受到各种海洋周围各种恶劣环境消耗的作用。但是又由于海洋中经常发生各种各样的意外突发事故，比如供用的船和平台的意外碰撞、平台上不时落下的重物对平台的碰撞、海中浮冰对导管架的撞击等等。所以碰撞经常会导致平台结构当中的构件发生整体的弯曲和局部的部分凹陷,导致了构件承载能力大大降低，会极其影响构件的安全，从而会极大地减弱整个平台结构的强度。我们可以建立一个船舶与海洋平台碰撞系统的力学模型，从而更好的分析碰撞事故模型行成所需的各种关键要素。根据得到的数据，对船舶与平台之间的碰撞过程进行了模拟数值计算，并且通过计算结果对比分析出各种不同碰撞初速度下的船舶与平台相撞所导致的结构损伤情况，通过分析和观察，我们可以发现各种不同的碰撞对损伤变形的模式、程度、范围、能量吸收及碰撞力都有显著的不同。我们要充分利用船舶与平台碰撞的力学模型,分析和总结在设计此类碰撞事故模型是所影响结果的关键因素，在这些基础上，对船舶与导管架平台的碰撞过程进行数值模拟，揭示船舶损伤特性和吸收能量的机制所遵循的一般规律,重点研究管节点处的变形模式。

2.3自升式平台碰撞损伤特性研究

自升式海洋平台是一种现阶段海洋工程使用较多的公众平台，自升式平台相对于固定式平台工作而言，它的工作能力更强，而且可以通过移动更好的适用于众多海域。在现在的海洋工程当中，很多工程师都十分关心的问题就是自升式平台如何设计平台强度。在以往的研究数据和研究结构之中，大多对于碰撞所引起的一系列问题研究甚少，我们可以通过分析DNV规范中之前对于撞击载荷作用下自升式平台的损伤特性的原有理论，建立起一个新的船舶与自升式平台碰撞的有限元的仿真计算模型，使用这个新的仿真计算模型分析比较自升式平台碰撞的损伤特性及自升式平台的能量吸收方式。我们要仔细认真的研究自升式海洋平台的特点，从自升式平台整体柔性较大的特点，重视起船舶与自升式平台碰撞问题研究的必要性，通过模拟碰撞损伤全过程，并对不同的损伤结果和造成的不同程度的危害进行分析与讨论，从而得出结论：凹陷变形引起的局部残余应力集中现象对平台的疲劳强度有着重要的影响。

【结束语】随着各种资源不断开始短缺，开发海洋资源成为刻不容缓的要求。如果我们想要开采海洋油气资源，就需要一个基础性设施，那就是海洋平台。但是，在海上工作，需要面临各种各样的困难，工作时间长，工作的环境又特别差，所以海洋平台总会遇到各种各样的不同的碰撞问题，虽然经常船舶与海洋平台经常会发生碰撞，但是这并不代表船舶与海洋平台的碰撞的危害小，正好相反，船舶与海洋平台相撞往往造成巨大的破坏，破坏都是灾难性的破坏。所以，为了能够减轻船舶与海洋平台相撞所造成的危害，我们应该不断的进行相关研究，从而保证人员安全，减轻海洋环境污染。本文系统地总结和分析了碰撞的力学机理，通过对海洋平台中典型圆管构件的碰撞损伤、导管架平台碰撞损伤特性研究、自升式平台碰撞损伤特性研究的研究与分析，采用了一些相对有效的方法与措施，进行一定的预防和调整，并通过各种数据的分析与研究，揭示了碰撞载荷、损伤变形和能量耗散之间的内在规律，从而更好的为海洋工程建设服务。

参考文献：

[1]福萍.船舶与海洋平台碰撞响应与结构损伤分析[D].哈尔滨工程大学,2011.

[2]刘洋,桂洪斌.船舶碰撞引起的自升式海洋平台结构损伤分析[J].上海海事大学学报,2018,39(02):91-96.