基于整体海洋平台模型的下落物体撞击数值仿真

整体具有较好的弹性变形性能，能够降低下落物体撞击引起的结构损伤；建模时必须建立整个海洋平台模
型，以充分体现平台结构的整体性能。 关键词：落物；撞击；海洋平台；数值仿真
中图分类号：Ｐ７５１
文献标识码：Ａ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ
参考文献［６］中平台起吊的物体按其形状及重 量的分类，并考虑分析问题的简便，选取物体的形状 为球体，故可省去对撞击角度的考虑，都为直角碰 撞，球体半径为０．５ ｍ。
２．２下落物体速度的选取
根据所选平台的情况，物体的最大下落高度取
为１５ ｍ。由于下落物体比较重，忽略下降过程中与
空气的摩擦损失，因此物体下落的加速度为重力加
图２中：１区的边界条件为３边是强梁，一边为 自由；２区的边界条件为４边是强梁；３区的边界条 件是２边强梁。这样划分可以分析在大致相同的撞 击条件下，将撞击区域边界条件的不同对海洋平台 造成的损伤情况进行比较分析。
２．４下落物体的撞击位置
从起重机上落下的物体可能会撞击３种类型的 结构或设备，包括导管架平台水中或水上的结构部 分、甲板上部设备、海底设备及管线［５］。
第９卷第６期 ２００８年１２月
解放军理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
文章编号；１００９－３４４３（２００８）０６—０６８７—０６
Ｖ０１．９ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２００８
基于整体海洋平台模型的下落物体撞击数值仿真
对本平台结构用钢而言，采用Ｄ＝４０、声＝５。
材料的失效非常复杂，本文通过最大塑性失效
应变来定义材料的失效，即当结构单元的等效塑性
应变达到定义的单元最大塑性失效应变时单元失
效，失效后的单元将不再参与后面的计算，并不再具
有强度。本文采用的最大塑性应变取０．３。
１．４接触的定义和摩擦力的影响
动态接触冲击问题的求解最关键的是要处理好 不同结构界面的接触和相对滑动，它们的相互作用 通过接触算法来完成。本文对落物和平台的接触采 用主一从接触。对平台结构自身，则采用了自接触， 以解决平台甲板结构有可能由于撞击而产生自撞击 等问题。
３．２撞击过程
图３撞击位置 Ｆｉｇ．３ Ｉｍｐａｃｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ
图３中：位置Ａ表示撞击在甲板上；位置Ｂ表示 撞击在梁上；位置Ｃ表示撞击在梁与梁的交叉处；位 置Ｄ表示撞击在梁与梁的交叉处并且下有立柱。就 垂向碰撞刚度而言，从Ａ到Ｄ越来越大。
图４中的曲线描述了撞击过程中物体的运动速 度和物体质心位置的变化历程。由于平台梁结构的 抵抗作用，物体的运动速度是迅速减小的，从图４（ａ） 中可以看出，物体在垂直方向的撞击速度减小到零 的持续时间在０．０３ ｓ左右，这也说明落物与平台的 撞击是一个瞬态非线性问题。
撞击动能将转化为平台构件的动能和变形能， 图４（ｂ）是物体质心的位置曲线，它表明随着撞击的 。继续，物体位移逐渐增大，也即撞击深度逐渐增加， 但由于撞击速度迅速减小，位移的增加速度也逐渐 减慢。但到达最大位移（最大撞深）后物体的运动方 向发生改变，即物体反弹上升了。在反弹上升的初 期，物体运动位移的加速度是增大的，说明物体反弹 后与平台结构并没有分开，而是相互接触，两者的接
２．５撞击方案
以８ ｔ的球形物体撞击海洋平台为研究对象，撞 击位置为图１中区域２的纵横梁的交点处，也即图３ 中的位置Ｃ，物体撞击速度为１０ ｍ／ｓ。整个模型有板 单元数为１３６ ３３１个，梁单元数３ ６３４个。
３ 数值仿真计算及分析
３．１撞击结束时间的确定
图２撞击区域划分图
Ｆｉｇ．２ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｒｅｇｉｏｎｓ
ＷＡＮＧ Ｌｉｎ，ＺＨＯＵ Ｇｕｏ—ｂａｏ， ＭＩ Ｘｕ一五ｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｕｎｄｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｏｎ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｒｏｐｐｅｄ ｏｂｊｅｃｔ—ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｍｐａｃｔ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｌｌｅｎ ｏｂｊｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔ— ｆｏｒｍ ｉｓ ｅｌａｓｔｉｃ，ｔｈａｔ ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｅｄ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆａｌｌｅｎ ｏｂｊｅｃｔ；ｉｍｐａｃｔ；ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
海洋平台处于复杂而恶劣的工作环境中，除去 正常的工作载荷和环境载荷外，一些偶然性事故，如 船与海洋平台的碰撞、下落物体、爆炸和火灾等也时 有发生。这些偶然性事故一旦发生将对海洋平台造 成严重的后果，导致结构破坏，甚至人员伤亡和环境
收稿日期：２００８—０９—０４． 基金项目；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００８５８６）Ｉ江苏
省船舶先进设计制造技术重点实验室开放研究基 金资助项目（ＣＪ０８００３）． 作者简介：王林（１９６３一）．男，剐教授；研究方向：船舶与海 洋工程结构力学；Ｅ—ｍａｉｌ：ｗＬｉｎ４０＠１６３．ｃｏｌｌｌ．
故的研究主要 集中在船与平台的碰撞，油气爆炸和火灾，而对下落 物体对平台撞击的研究甚少。事实表明，海洋平台在 进行起吊作业时，由于超载起升、操作人员的判断及 工作失误等原因，是可能发生下落物体意外事故的。 下落物体的危险主要来源于起吊物体的掉落。英国 能源部的统计数据Ⅲ表明，每次起吊时物体坠落的 概率为２．２ Ｘ １０～。Ｅ．ＴｅｂｂｅｔｔＣｚ］对世界上１００起需 要修理的海上平台损伤原因进行了分析，其中由于 落物所引起的损伤占到９％。１９９２年中海油Ｈ渤海６
速度，撞击的速度∥。为
移ｌ＝历，
（２）
万方数据
第６期
王林，等：基于整体海洋平台模型的下落物体撞击数值仿真
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式中：ｊＩｌ为下落时物体的高度；ｇ为重力加速度。 再考虑平台正常工作中的其他情况，选取下落
高度５ ｒｐ＿，撞击速度为１０ ｍ／ｓ。
２．３下落物体的撞击区域
就海洋平台结构甲板而言，按照其撞击区域边 界条件的不同可划分为以下三类区域，如图２所示。
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解放军理工大学学报（自然科学版）
第９卷
号”平台因重物坠落击穿压载箱，面积达数平方米。 近年来，在海洋工程领域钢质导管架平台结构
得到了广泛的应用。本文将非线性有限元数值仿真 技术应用于下落物体撞击海洋平台的分析中，以中 海油ＱＫｌ８—２导管架平台为建模计算依据，探讨了 落物撞击参数的选取，建立了海洋平台的整体模型， 对下落物体撞击海洋平台的全过程进行了分析，获 得了碰撞力、结构损伤变形及能量转换等结果。
本文主要研究下落物体对导管架甲板结构的损 伤。对于甲板部分，其撞击的部位较多，大致可分为 ４类，如图３所示。
船一船碰撞或船一桥碰撞通常是以受撞击区域 构件的失效“］或船舶动能的损失量达到一定数值为 结束时间［７］。海洋平台结构是以板、梁、撑杆、导管等 所组成的空间结构。管构件与板构件的连接和管构 件间的连接，由于其几何形状的复杂性，除了在撞击 区域发生的损伤破坏外，在管节点处还易发生冲剪 破坏、塑性变形、脆性断裂破坏。对下落物体撞击海 洋平台的数值模拟计算来说，上面２种方法都不适 用。海洋平台构件的最大应力，应是平台包括其上所 有物体的重量等产生的应力加上物体撞击产生的最 大应力。而撞击应力波的传递具有一定的滞后效应， 并不是撞击力达到最大时，应力波达到最大，此时应 力可能还没有在平台构件上传递。因此，笔者认为应 该以桩腿底部应力达到最大的时间或者撞击的动能 损失达到一定数值的时间中的较大值为结束时间。 本工况撞击物体的动能损失达到９９％的时间约为 ０．０３ ｓ，桩腿底部应力达到最大的时间约为０．０８ ｓ， 故应以桩腿底部应力达到最大的时间为结束时间．
１．３材料模型和失效准则
除下落物体采用的是刚性材料外，平台结构根 据其设计说明，均采用实际参数。材料采用的是线性 强化弹塑性材料模型，即考虑材料进入塑性后的应 变强化。撞击是一个动态响应过程，材料的动力性能
２．１下落物体重量、形状的选取
参考文献［５，６］中典型起重机的载荷分布，轻、 中等载荷占了７７．６％。本文对下落物体的重量采用 轻、中载荷的上限８ ｔ。
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