李俊來 謝永和 陳景昊 吳衛(wèi)國

（浙江海洋學(xué)院船海學(xué)院1） 舟山 316022） （武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2） 武漢 430063）

隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋資源的爭奪變得日益激烈，越來越多的海洋平臺、海工輔助船舶參與生產(chǎn)和運輸［1－2］.由于海上工程作業(yè)時工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，除去正常的工作荷載和環(huán)境荷載之外，船舶與平臺結(jié)構(gòu)的碰撞等意外事故時有發(fā)生，特別是船舶與平臺樁腿的碰撞、上部結(jié)構(gòu)的墜物與平臺甲板之間的撞擊等.因此，正確評估各種碰撞事故對海工輔助船舶的損傷已經(jīng)成為海洋工程研究中的一個熱點問題［3－4］.

三用工作船是一種集海上拖帶、平臺供應(yīng)、對外消防等功能于一體的多功能船舶，兼有海上救助、海上平臺守護、幫助海上設(shè)施布錨及起錨等功能，這類船舶經(jīng)常在海上平臺附近作業(yè)、靠泊.由于作業(yè)中風(fēng)、浪、流等環(huán)境的影響和人員操作的原因，船舶與平臺樁腿間的碰撞事故常有發(fā)生.船舶在實際作業(yè)中與平臺的碰撞情況十分復(fù)雜，而且影響因素較多［5］.本文重在研究船舶在各種海況下?？科脚_及在平臺邊作業(yè)時發(fā)生的碰撞，分析該類低速碰撞下的船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為今后海工輔助船舶的設(shè)計提供一個實際參考依據(jù).

1 船舶與海上平臺發(fā)生碰撞的描述

根據(jù)牛頓第二運動定律，船舶與平臺樁腿發(fā)生碰撞時，在碰撞力F（Fξ，F(xiàn)η）的作用下，撞擊船體的運動方程表達為

式中：Ma為撞擊船體質(zhì)量；分別為x，y方向的線加速度為繞重心的角加速度.

船舶與海上平臺發(fā)生碰撞示意圖見圖1.

圖1 船舶與海上平臺發(fā)生碰撞示意圖

要準(zhǔn)確地模擬船舶與平臺的碰撞問題，需要同時滿足下面4個物理條件：（1）碰撞物體的總能量和總動量守恒（假設(shè)在碰撞過程中沒有其他能量、動量的輸入或耗散）；（2）互不相容條件，即碰撞物體之間的空間位置不能重疊；（3）作用力平衡條件，即碰撞物體之間的作用力等于反作用力；（4）庫侖條件，若接觸面間存在滑動，則需要添加庫侖摩擦力.

船與平臺的碰撞問題是一個非線性動態(tài)響應(yīng)過程，結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變在碰撞過程中很快超過彈性范圍進入塑性流動階段，這就涉及動載作用下材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，與靜載作用相比，彈塑性材料在動載作用下的本構(gòu)關(guān)系具有一系列不同的力學(xué)特性［6］.因此，船舶與海洋平臺發(fā)生碰撞時，將船體視為彈塑性材料結(jié)構(gòu)，樁腿視為剛性材料結(jié)構(gòu).

根據(jù)整體系統(tǒng)能量守恒規(guī)律可得，船體和平臺的變形所吸收的變形能為

式中：E0為船體的初始動能；Es為碰撞結(jié)束時船體的動能；Ep為碰撞結(jié)束時平臺的動能.

式中：k11，k12，k21為剛度系數(shù)；Mp為平臺的質(zhì)量；

ja為繞重心轉(zhuǎn)動的附加慣性矩系數(shù)；Ra為繞重心的慣性半徑.

選取78m三用途工作船為研究對象，全焊接鋼質(zhì)船體，混合骨架式，具有一層連續(xù)主甲板，船體采用CCSA級鋼.全船艏、尾部分為單層底，其余均為雙底、雙殼結(jié)構(gòu)，雙層底高1 500mm，內(nèi)外舷間距1 200mm；并設(shè)有7根雙層底縱桁.

2 有限元模型

2.1 模型范圍

利用Patran軟件進行三用工作船的有限元建模及后處理，Dytran軟件進行計算.在建模仿真中，碰撞接觸區(qū)模型進行細化，細化艙段模型的范圍從肋位Fr46到肋位Fr65，垂向范圍為船體型深，碰撞有限元模型的節(jié)點總數(shù)為39 862，單元總數(shù)為50 375個.各船體構(gòu)件全部采用板單元模擬.被撞平臺為某導(dǎo)管架平臺，僅建立被撞樁腿有限元模型，有限元模型見圖2.

圖2 三用工作船有限元模型碰撞示意圖

2.2 邊界條件與模擬工況

坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，原點位于Fr0船底中線處，在x軸向船首為正方向，y軸向左舷為正方向，z軸向上為正方向.樁腿模型的上下兩端和三用工作船的中橫剖面均需約束，邊界條件見表1.

表1 邊界條件

計算中，材料密度ρ＝7.85×103kg／m3，彈性模量E ＝2.1×1011Pa，屈服強度σs取235MPa，泊松比υ＝0.3.采用最大塑性應(yīng)變作為材料的破壞準(zhǔn)則.根據(jù)海況的惡劣情況，研究不同碰撞速度下的船舶損傷.有限元計算中分別以一定的船舶側(cè)向速度模擬各工況與海洋平臺發(fā)生碰撞，碰撞開始前舷側(cè)與樁腿相距40mm.見表2.

表2 計算工況

2.3 計算結(jié)果

考慮船舶與平臺碰撞問題是一種非常復(fù)雜的非線性瞬態(tài)響應(yīng)過程，碰撞中單樁結(jié)構(gòu)強度較弱，數(shù)值模擬中把樁腿設(shè)為剛體結(jié)構(gòu)，在本碰撞模型計算中，考慮到低速情況下船舶與海洋平臺發(fā)生正碰，則相對滑動較少，暫不考慮兩者的摩擦，計算中主要分析了碰撞這一瞬態(tài)過程中對船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力σmax、變形Δlmax及瞬態(tài)碰撞力Fmax.各種工況下船體碰撞模型的有限元計算結(jié)果見表3.部分船體結(jié)構(gòu)的碰撞應(yīng)力與變形云圖見圖3～6.

表3 各種工況下的船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)

圖3 碰撞1.0s時的船體應(yīng)力云圖（LC1）

圖4 碰撞1.0s時的船體應(yīng)力云圖分布（LC2）

圖5 碰撞0.8s時船體變形云圖（LC2）

圖6 碰撞0.8s時船體變形云圖（LC3）

3 分析與結(jié)論

根據(jù)表3計算結(jié)果顯示可知，在無浪或微浪環(huán)境下，三用工作船橫向?？亢Ｑ笃脚_時的碰撞船體結(jié)構(gòu)無損傷，僅有輕微變形，基本可以忽略不計.隨著海況情況變差，船舶與平臺發(fā)生碰撞的速度會隨之變大，海況越惡劣，碰撞速度變得越大，船體與海上平臺碰撞時產(chǎn)生的碰撞力越大，船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形也越大，結(jié)構(gòu)的損傷危害越大.

3.1 碰撞力隨時間的變化

由于工況LC1碰撞速度非常小，在發(fā)生碰撞的時間內(nèi)的碰撞力也很小，基本可以對船體本身不會造成損傷.所以，本文就針對碰撞速度在0.5，1，2及4m／s 4種工況下做具體比較分析.碰撞力隨時間的變化的F－t曲線見圖7.

圖7 各工況碰撞力隨時間變化F－t曲線圖

由圖7可知，碰撞速度的增加，船舶的動能增加，碰撞力的卸載次數(shù)增加，結(jié)構(gòu)變形的能量儲存也增加，所以，碰撞速度的增加會使船舶與平臺間的碰撞過程更加激烈.碰撞中船體結(jié)構(gòu)損傷變形的區(qū)域也變大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷會隨之增加，因此，碰撞速度對碰撞力的影響非常顯著.但是速度增加對碰撞的作用時間的影響并不明顯.

3.2 碰撞系統(tǒng)能量隨時間變化情況

圖8為各工況下系統(tǒng)能量隨時間變化曲線.由圖8可見，三用工作船與平臺發(fā)生碰撞過程中系統(tǒng)的動能先減小后增大，結(jié)構(gòu)變形能先增加后減少，總能量損失即剩余能量消耗逐漸加大.海況越好，發(fā)生橫向碰撞時速度越小，能量損失越小，整個過程越接近完全彈性碰撞，船舶初始動能可以基本轉(zhuǎn)化為船舶相反方向的剩余動能，結(jié)構(gòu)的碰撞損傷越小.隨著海況的變差，發(fā)生碰撞的速度增加，船舶經(jīng)碰撞后的剩余動能越小，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能越多，船體結(jié)構(gòu)的碰撞損傷越嚴(yán)重.

圖8 各工況下系統(tǒng)能量隨時間變化J－t曲線

4 結(jié) 論

1）船與平臺的碰撞應(yīng)力和變形集中于碰撞區(qū)域.發(fā)生碰撞時，船舶結(jié)構(gòu)的損傷變形主要發(fā)生在碰撞區(qū)域附近，離碰撞接觸區(qū)越遠，結(jié)構(gòu)碰撞變形越小，結(jié)構(gòu)越安全，甚至可以不必考慮碰撞損傷變形.

2）碰撞速度對結(jié)構(gòu)碰撞損傷影響顯著.隨著海上海況變差，船舶與海上平臺的碰撞速度增加，結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞損傷變形的機會也大大增加，最大碰撞力也增加較大.因此在船舶各種海上停靠作業(yè)操作過程中，建議可以適當(dāng)增加船體兩舷與平臺樁腿之間的接觸摩擦并做好接觸摩擦防護，可減小兩者之間的碰撞速度，從而盡可能的減少碰撞損傷.另外，還需加強駕駛?cè)藛T的操作技能培訓(xùn)，提高船舶停靠平臺的精準(zhǔn)度，減少駕駛的誤操作.

3）碰撞速度對船體能量轉(zhuǎn)化的影響較大.碰撞速度小，系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形能越少，能量損失也較小，隨速度增加，結(jié)構(gòu)的變形會越來越大.

4）在海洋工程船舶的設(shè)計中，設(shè)計者必須考慮惡劣海況作業(yè)下發(fā)生的低速碰撞，尤其是必須考慮到碰撞接觸部位的容易損傷結(jié)構(gòu)，如舷頂列板及下部舭列板.為減小碰撞的結(jié)構(gòu)損傷，設(shè)計中必須進行防撞加強以增加該部位的抗撞性能.

［1］黃智翔，沈達博.近海油田三用工作船改建及其經(jīng)濟性分析［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（4）：363－366.

［2］龔順風(fēng).海洋平臺結(jié)構(gòu)碰撞損傷及可靠性與疲勞壽命評估研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2003.

［3］王自力，顧永寧.船舶碰撞動力學(xué)過程的數(shù)值仿真研究［J］.爆炸與沖擊，2001，21（1）：29－34.

［4］福 萍.船舶與海洋平臺碰撞響應(yīng)與結(jié)構(gòu)損傷分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

［5］甘 進，潘 晉，吳衛(wèi)國，等.船舶與導(dǎo)管架平臺碰撞的動力響應(yīng)研究［J］.船海工程，2009，38（5）：153－161.

［6］嚴(yán)慶新.船舶碰撞危險度評判模型［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2002，26（2）：220－222.