半潜式生活支持平台碰撞机理

刘为民1a， 谷家扬， 王玉清2， 李天佑1a， 陶延武

(1.江苏科技大学 a.船舶与海洋工程学院； b.海洋装备研究院, 江苏 镇江 212003;2.广州海洋地质调查局, 广东 广州 510100)

0 引 言

半潜式生活支持平台综合了半潜式平台的良好稳性、超大甲板面积以及供应船的优点，可为钻井平台提供更多生活和工程方面的支持。在生活支持平台与钻井平台靠泊作业过程中，系泊系统或动力定位系统的失效都将导致平台之间的碰撞。为了提高生活支持平台的抗撞性能，有必要对生活支持平台与钻井平台在靠泊过程中发生的碰撞性能进行研究。

海洋结构物碰撞研究可以追溯到1959年。MINORSKY[1]提出具有开创性意义的Minorsky曲线。LENSELINK等[2]在1992年首次将非线性有限元法运用到船舶碰撞研究中。近年来，BULDGEN等[3]将超单元方法应用到船-船非正撞事故场景中，用于评估船体结构在碰撞事故下的抗撞能力。MUJEEB-AHMED 等[4]结合AIS数据库对海洋平台与过往船只发生碰撞的风险进行分析。JIANG等[5]在研究导管架平台与船舶碰撞机理的基础上，针对桩腿受到碰撞时的弯曲变形，提出预测桩腿抗撞能力的简化分析方法。SUN等[6]提出一种基于塑性变形方程的简化分析方法，用于快速预测船舷结构在前倾型船首碰撞下的响应。OZGUC[7]定义了供应船碰撞FPSO船首、供应船碰撞FPSO船舷、供应船碰撞FPSO船尾等5种碰撞场景，采用大变形有限元法对FPSO碰撞后的船体结构进行分析。MAO等[8]研究碰撞力与船首撞深的关系，推导出静、动刚度之间的比例关系，提出用于船-桥碰撞的简化分析方法。ABDEL-NASSER 等[9]利用Abaqus软件对碰撞中不同形式的加筋板吸能情况进行对比分析，总结加筋板形式与变形吸能的关系。

以某半潜式生活支持平台为研究对象，采用数值分析方法对生活支持平台与钻井平台在典型碰撞工况下的碰撞机理进行研究，重点从碰撞后生活支持平台的速度、结构变形、碰撞力和能量转化等方面进行分析，研究生活支持平台的碰撞特性，为半潜式生活支持平台的设计、建造提供指导性的建议。

1 生活支持平台与钻井平台碰撞场景

1.1 碰撞场景建立

HSE数据库记录了英国有关FPSO的碰撞事故共11起[10]，其中有2起发生在靠泊作业过程中，说明靠泊过程中碰撞风险不容忽视。由于穿梭油船串靠浮式储油平台的碰撞事故与生活支持平台靠泊钻井平台碰撞事故相似，因此本文的生活支持平台与钻井平台的碰撞工况参考穿梭油船串靠浮式储油平台的碰撞事故来制订。根据对半潜式平台-船舶碰撞历史事故以及穿梭油船-浮式生产储卸装置碰撞历史事故的分析总结，得出生活支持平台碰撞事故的碰撞速度，如表1所示。

根据生活支持平台碰撞事故风险评估，生活支持平台与钻井平台之间碰撞属于风浪联合作用下的漂移碰撞。基于海况的不确定性，生活支持平台与钻井平台可能发生碰撞的情况也不是确定的，存在正面侧对侧碰撞、正面艏对侧碰撞、约10°～45°旋转之后的斜撞等几种情况，如表2所示。

表2 生活支持平台碰撞工况汇总表

1.2 计算模型的建立

采用SCDM和HyperMesh联合建立计算有限元模型。图1为建模及碰撞仿真流程图。

图1 建模及碰撞仿真流程图

考虑到生活支持平台与钻井平台发生碰撞后运动惯性的影响，采用完整平台有限元建模，平台模型包括：浮箱、横撑、立柱和甲板室。对半潜式生活支持平台和钻井平台碰撞区域的所有构件进行网格细化，网格尺寸为80～100 mm，约为平均厚度的6倍。非碰撞区域采取粗网格建模，参考尺寸为500～640 mm。生活支持平台和深水钻井平台的主尺度[11]如表3所示。

表3 生活支持平台与钻井平台主要参数

1.3 碰撞典型工况的确定

LEHMANN等[12]将有限元仿真结果与加筋板碰撞试验进行对比分析，提出了失效应变与网格尺寸的经验关系。本文参考LEHMANN等的结论，失效应变值设为0.187 5。材料模型采用Cowper-Symonds(MAT24)弹塑性材料。

采用附加质量法模拟平台与流体之间的相互作用，利用AQWQ软件中AQWQ-Line模块计算两座平台六自由度下的附加质量，选取典型工况所需的y方向的附加质量，两座平台的附连水因数约1.3。

根据第1.1节计算工况分析，生活支持平台以1.34 m/s的速度对中正撞钻井平台甲板室为典型碰撞工况，碰撞参数设置如表4所示。

表4 平台模型和典型工况汇总表

2 计算结果与分析

2.1 碰撞后速度与形变分析

图2和图3分别为碰撞过程中生活支持平台速度和栈桥基座外板形变的时历曲线。由图2可见：在0.09～6.70 s，从生活支持平台栈桥基座与钻井平台甲板室外板发生碰撞开始，直至动能损失56.26%，生活支持平台的运动速度缓慢减小到0.30 m/s；在6.70～9.10 s，速度保持不变且为正值，说明此时生活支持平台栈桥基座与钻井平台甲板室区域的碰撞已经结束；在9.10～15.00 s，由于首次碰撞不是对心碰撞，生活支持平台与钻井平台发生一定程度的横摇与艏摇，导致了二次碰撞。从图3可以看到：随着碰撞过程的进行，外板形变逐渐增加，最大形变达2.771 m；在4.27～6.87 s，随着撞击速度的减小和平台的横摇运动，碰撞力不足以抵抗栈桥基座外板的弹性变形，栈桥基座外板发生一定的回弹。

图2 速度-时间曲线 图3 形变-时间曲线

2.2 碰撞力分析

图4为碰撞力变化曲线。由图4可以看出：首次碰撞持续时间为6.70 s，随着栈桥基座塑性变形的体积不断增大，碰撞力也不断增加；在1.59 s时，碰撞力达到峰值，约为1.845×107N，此时碰撞最为剧烈；此后，随着撞深的增加，参与抵抗碰撞变形的结构越来越多，生活支持平台的初始动能大部分被栈桥基座以塑性变形能的形式吸收，剩余动能越来越不能抵抗构件的塑性变形，碰撞力快速下降。

图5为生活支持平台与钻井平台碰撞力随栈桥基座变形程度的变化曲线。从图5可以看出，随着形变增加，碰撞接触面也相应增加，碰撞力随之增大。碰撞力增大表示有新构件参与抵抗碰撞变形，卸载则表示在抵抗碰撞过程中有构件失效。

图4 碰撞力-时间曲线 图5 碰撞力-形变曲线

2.3 结构损伤分析

图6为不同时刻生活支持平台栈桥基座应力云图。由图6可以看出，碰撞区域的栈桥基座外板发生严重褶皱和凹陷，结构的损伤变形主要集中在碰撞接触区域，表现出明显的局部性：在0.37 s时，栈桥基座单元失效应变值达到0.187 5，但外板并未破裂，这说明栈桥基座内部的水平框架参与抵抗碰撞发生破溃失效；随着栈桥基座外板拉伸变形加剧，内部水平框架将产生严重的面内弯曲，甚至撕裂破坏；栈桥基座内部水平框架在很短时间内受力超过其屈服应力，转化为塑性变形状态，而远离碰撞区域的构件变形量很小，相应应力也较小。这说明应关注易遭受撞击的关键区域，加强碰撞部位的结构强度，提高生活支持平台的抗撞能力。

图6 支持平台栈桥基座应力云图

图7和图8为不同时刻生活支持平台甲板室应力云图及甲板室透视应力云图。由图7和图8可以看出，应力由碰撞区域沿甲板室平台板和外板呈水波状向内辐射延伸：在0.37 s时，甲板室外板和内部结构均未发生较大形变和破损，应力主要集中于与栈桥基座连接的甲板室外板上；在6.70 s时，甲板室外板发生破裂，应力由碰撞区域沿甲板室平台板和外板辐射延伸至更远处，但应力依然集中于甲板室外板上，甲板室平台板和舱壁应力较小。由此看出，栈桥基座传递给甲板室的内能主要被甲板室外板以形变的形式吸收。

图7 支持平台甲板室应力云图

图8 支持平台甲板室透视应力云图

图9 系统能量转化曲线

2.4 能量转化分析

2.4.1 系统总能量时历分析

碰撞系统的总能量主要来自生活支持平台本身的动能和生活支持平台附连水的动能。图9为该碰撞系统内各研究对象的能量转化曲线。从图9可看出，生活支持平台的能量在碰撞发生后迅速减小，同时钻井平台吸收部分碰撞能，总能量缓慢增加。当碰撞时间持续到12.00 s时，系统内部各部分能量都趋于稳定。总体而言，碰撞结束后只有少许能量以摩擦能的形式耗散。

2.4.2 平台各类型能量时历分析

图10和图11为生活支持平台和钻井平台各类型能量时历曲线。

到6.70 s第一次碰撞结束时(即碰撞力为0 N的时刻)，生活支持平台动能损失了4.020×107J，此时生活支持平台的变形能和钻井平台吸收的能量之和为3.760×107J，基本与生活支持平台耗散的能量相等。基于碰撞能量转化理论，生活支持平台损失的动能主要转化为二者的塑性变形能、动能及平台周围水的动能。

在碰撞时间为6.70 s时，生活支持平台的塑性变形能是2.503×107J，占生活支持平台总能量的55.66%，该部分能量主要依靠生活支持平台栈桥基座和连接栈桥基座的甲板室结构发生凹陷、褶皱失效等变形来吸收。剩余动能为1.977×107J，占生活支持平台总能量的43.97%。另外一小部分以满足仿真控制要求的沙漏能形式进行耗散。

此外，由于在碰撞仿真中未对平台施加任何约束，平台可以六自由度运动，且生活支持平台与钻井平台为非对心碰撞，平台在碰撞时会出现较大的横荡与横摇，与钻井平台甲板室碰撞接触的栈桥基座结构强度较低，钻井平台甲板室变形较小，因此钻井平台吸收的变形能较少、动能较多。

图10 生活支持平台各类型能量时历曲线 图11 钻井平台各类型能量时历曲线

图12 栈桥基座、甲板室和其他结构变形能曲线图

2.4.3 生活支持平台各结构吸能时历分析

图12为生活支持平台栈桥基座、甲板室和其他结构变形能曲线图，该曲线反映了在生活支持平台撞击钻井平台过程中生活支持平台甲板室和栈桥基座以及平台其他结构随时间变化的吸能情况，图12显示碰撞区域的栈桥基座变形能、甲板室变形能与远离碰撞区域其他结构(浮箱、立柱、横撑等)的变形能比值为2 607∶1 976∶1，说明碰撞具有非常明显的局部性。

3 结 论

采用数值计算方法对某半潜式生活支持平台与钻井平台在典型工况下的碰撞机理进行分析研究，重点从碰撞速度、结构变形、碰撞力和能量转化等方面研究分析了生活支持平台的碰撞机理，得出以下结论：

(1) 在碰撞过程中，栈桥基座结构的损伤变形表现出明显的局部性。应重点关注易遭受撞击的关键区域，加强易碰撞部位的结构强度，提高生活支持平台的抗撞性能。

(2) 碰撞区域的栈桥基座外板发生皱褶、凹陷等严重形变。从结构吸能角度看，在整个碰撞过程中，栈桥基座外板吸收的塑性变形能占主要部分。栈桥基座损伤变形的形状特征与撞击部位的尺寸和形状密不可分，故在进行平台结构耐撞性研究时应对撞击物形式进行充分考虑。

(3) 碰撞力表现出明显的非线性，碰撞部位的结构特性与初始动能的大小共同决定了碰撞力的大小。碰撞初始阶段，碰撞力急剧增大，随着形变的增大，栈桥基座内部构件逐渐失效，生活支持平台速度逐渐降低，碰撞力也迅速减小，直到生活支持平台速度与钻井平台速度相同时，碰撞过程结束，碰撞力减小为0 N。碰撞力增大表示有新构件参与抵抗碰撞变形，卸载则表示在抵抗碰撞过程中有构件失效。

(4) 生活支持平台-钻井平台的碰撞不同于平台-船舶的碰撞，船-平台碰撞是一个瞬态的过程，碰撞通常在1.00 s内结束，附连水对碰撞过程影响非常小，而平台-平台碰撞是一个较长时间的碰撞过程，碰撞引起的平台位移较大，平台附连水对碰撞过程影响较大。由于平台-平台碰撞的初始动能远大于一般的船-平台碰撞，碰撞持续时间、碰撞力、变形能等都要明显大于船-平台碰撞，而且平台-平台碰撞的位置距离平台重心较远，转动效应更加明显，初始动能很大一部分会转化为两个平台的转动动能，研究生活支持平台抗撞性能的同时也应关注碰撞引起的横摇运动，防止平台倾覆。