韓華偉

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺(tái) 264670)

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跌落分析技術(shù)在海洋平臺(tái)安全性評(píng)估中的應(yīng)用

韓華偉

(中集海洋工程研究院有限公司， 山東 煙臺(tái) 264670)

摘要在半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中，由于工作海況環(huán)境比較復(fù)雜多變，為了使平臺(tái)在特定海況下能夠正常工作，該文基于ABAQUS軟件對(duì)鉆井平臺(tái)在復(fù)雜海況下的典型局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，對(duì)以后應(yīng)用ABAQUS軟件在該領(lǐng)域的局部強(qiáng)度研究以及船級(jí)社送審具有一定的意義。

關(guān)鍵詞鉆井平臺(tái)有限元ABAQUS

The Application of Dropping Analysis on Safety Estimation of Offshore Platform

HAN Hua-wei

(CIMC Offshore Engineering Institute Co., Ltd., Yantai Shandong 264670, China)

AbstractFor the complex working environment during offshore working, a local analysis about riser dropping is performed, which give the stress result to explain the sufficient structure and report for DNV. Final give some advice on how to do similar local analysis in this area.

Keywords Offshore platformFinite elementABAQUS

0引言

伴隨油氣開采向海洋發(fā)展，海洋工程裝備業(yè)成為新的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，海工平臺(tái)的鉆井作業(yè)水深也由淺入深。由于海工裝備貨物吊裝運(yùn)輸作業(yè)的頻率非常高，就不可避免地發(fā)生因脫鉤、繩斷等引起的物體跌落，一旦發(fā)生這類事故，必將對(duì)船體造成一定程度的損壞，甚至可能穿透甲板，進(jìn)而破壞甲板下的結(jié)構(gòu)或設(shè)備，也有可能造成人員傷亡。根據(jù)英國(guó)能源部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平臺(tái)在吊機(jī)作業(yè)過(guò)程中發(fā)生鉆桿等吊裝物失控落在甲板上的危險(xiǎn)性很高。因此，有必要對(duì)物體跌落造成船體受到?jīng)_擊的過(guò)程進(jìn)行模擬分析，來(lái)獲取船體的損傷變形和破壞程度。

本文采用針對(duì)海洋工程中的一些典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部有限元強(qiáng)度分析，包含外載荷、內(nèi)應(yīng)力計(jì)算分析，從而對(duì)船體強(qiáng)度作出判斷，并依據(jù)DNV規(guī)范的有關(guān)要求對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，計(jì)算其局部應(yīng)力并形成可行性分析報(bào)告送審DNV等相關(guān)船級(jí)社。 最后，本文結(jié)合相關(guān)的局部強(qiáng)度分析給出了指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)建議，為相關(guān)的設(shè)計(jì)建造提供了參考。

1非線性動(dòng)力學(xué)分析

所謂跌落碰撞分析是指平臺(tái)甲板面上空的作業(yè)區(qū)域突然承受高空跌落的吊裝物，是一種有時(shí)間歷程的非線性動(dòng)態(tài)分析響應(yīng)過(guò)程，動(dòng)力特性過(guò)程明顯，碰撞區(qū)域的甲板結(jié)構(gòu)在沖擊過(guò)程中由超彈性階段快速過(guò)渡為塑性流動(dòng)階段，在此過(guò)程中有可能會(huì)發(fā)生斷裂、強(qiáng)度破壞等情況。目前可以采用有限元分析的手段，基于跌落過(guò)程中和船體結(jié)構(gòu)的接觸時(shí)間歷程設(shè)置分析過(guò)程，分析結(jié)果和實(shí)際跌落結(jié)果一致，可用于預(yù)測(cè)平臺(tái)甲板以上作業(yè)區(qū)域的安全評(píng)估[1]。

本文選取某鉆井平臺(tái)的一個(gè)特殊例子——鉆管高空落下，闡述應(yīng)用顯式有限元法對(duì)跌落碰撞過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，落物危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在主甲板，如圖1所示。

圖1　落物分布區(qū)域

1.1建立計(jì)算的力學(xué)/數(shù)學(xué)模型

借助ABAQUS軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能劃分合適的網(wǎng)格類型，在建立模型時(shí)，甲板盒結(jié)構(gòu)中所有的甲板面、縱橫艙壁、碰撞跌落位置的大型梁結(jié)構(gòu)、相鄰區(qū)域的T型材腹板均用殼單元來(lái)模擬，非跌落區(qū)的T型材的面板和球扁鋼等小截面型材考慮采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，以此來(lái)減少前處理時(shí)間，降低計(jì)算步長(zhǎng)，節(jié)約大量的計(jì)算時(shí)間[2]。

對(duì)于跌落物體，為了更真實(shí)地模擬物體沖擊船體的過(guò)程，跌落物體按照實(shí)際的尺寸建模。由于，跌落物體的損壞情況比起船體的損壞來(lái)說(shuō)不是分析所關(guān)注的重點(diǎn)，因此跌落物體只用殼體來(lái)代替，外形尺寸與實(shí)際尺寸一致，又根據(jù)DNV規(guī)范可把跌落物體假定為剛體。

考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和落物載荷的均布性，選取了距離船中4 000 mm和9 750 mm之間，主甲板以下1 500 mm區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模。網(wǎng)格采用減縮積分單元，并且采用比較細(xì)的網(wǎng)格來(lái)避免沙漏現(xiàn)象，跌落區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化情況，如圖2所示，而非跌落區(qū)域的網(wǎng)格劃分較粗。采用減縮積分單元有如下特點(diǎn)。

(1) 位移的求解結(jié)果較精確。

(2) 網(wǎng)格存在異樣時(shí)，(例如單元的角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或者小于90°)，可以保證分析精度。

(3) 不容易發(fā)生剪切自鎖。

圖2　數(shù)學(xué)力學(xué)模型

1.2邊界條件

在分析前處理過(guò)程中，由于在瞬時(shí)的沖擊作用下，甲板接觸區(qū)域結(jié)構(gòu)的變形較大，物體跌落表現(xiàn)為局部性，邊界條件對(duì)分析結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，引入了結(jié)構(gòu)非線性分析方法，如圖3所示。模型中船體甲板結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼，根據(jù)材料非線性定義的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。并在沖撞區(qū)域進(jìn)行了局部墊板加強(qiáng)。材料彈性模量E=2×1011，泊松比 =0.3。分析結(jié)構(gòu)中艙壁位置相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，所以采用了固支的邊界條件，而對(duì)于兩個(gè)型材中間跨度的位置，考慮到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和對(duì)稱性，采用了對(duì)稱的邊界條件來(lái)模擬真實(shí)的邊界[3]。

物體跌落的過(guò)程作用時(shí)間短，沖擊力大，碰撞過(guò)程中兩者的相對(duì)位移可以忽略，而材料很容易進(jìn)入塑性變形階段。因此，在進(jìn)行跌落分析時(shí)，要考慮材料的塑性性質(zhì)[4]。

圖3　大變形

圖4　材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3載荷的確定

根據(jù)實(shí)際情況，取定物體的最大下落高度，由于下落物體較重，忽略空氣對(duì)跌落物體的阻力影響，假定物體從跌落位置開始以9.81 m/s2重力加速度進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)[5]。

在本例的落物分析過(guò)程中，只需計(jì)算接觸甲板之前的速度，并定義在預(yù)定義分析步驟中即可。在跌落分析時(shí)，沖擊荷載是以物體剛與船體結(jié)構(gòu)接觸時(shí)的速度施加于模型[6]。本文賦于鉆管17.1 m/s的速度來(lái)模擬沖擊甲板過(guò)程。

(1)

式中：h為下落時(shí)物體的高度；g是重力加速度。

2有限元分析結(jié)果與分析

依據(jù)ABAQUS軟件強(qiáng)大的后處理功能，提取式(2)所需的不同結(jié)構(gòu)不同方向應(yīng)力，得出相應(yīng)的合成應(yīng)力，并基于DNV的相關(guān)要求核對(duì)分析結(jié)果。分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

(2)

圖5　應(yīng)力云圖

圖6　能量—時(shí)間圖

有限元校核結(jié)果如表1所示。

由表1可知，材料的使用系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，這意味著材料的利用率不高。在保證強(qiáng)度、屈曲要求的前提下，還可以進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最大的應(yīng)力出現(xiàn)在落物上，可見甲板下的支撐結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下是安全的，不需要再進(jìn)行加強(qiáng)，該局部分析是參照DNV的要求進(jìn)行的，結(jié)果表明強(qiáng)度符合船級(jí)社要求，可以現(xiàn)場(chǎng)制造。

表1　有限元校核結(jié)果

3結(jié)論

(1) 從ABAQUS分析結(jié)果來(lái)看，由于甲板的應(yīng)力較小，建議取消作為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的甲板上面的墊板，而加強(qiáng)甲板盒內(nèi)的縱向結(jié)構(gòu)，即便于現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)施工，同時(shí)也可以比較流暢的傳遞載荷。

(2) 基于有限元專業(yè)軟件評(píng)估強(qiáng)度，可以使用動(dòng)力學(xué)分析的方法，動(dòng)態(tài)地顯示每一個(gè)分析步驟的變形和應(yīng)力情況，其結(jié)果較常規(guī)校核方法更為精確、直觀，可在得出結(jié)論后進(jìn)行分析結(jié)果的后處理并給出修改方案。

(3) 隨著海洋工程裝備的發(fā)展步伐，越來(lái)越多的操作方對(duì)于安全評(píng)估提出了更高的要求，特別是基于人機(jī)工程健康、安全、環(huán)保的研究，逐漸被行業(yè)內(nèi)所重視。本文提出的計(jì)算方法對(duì)該類平臺(tái)的其它局部強(qiáng)度校核也具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]楊永強(qiáng),李爽, 謝禮立.構(gòu)件跌落碰撞的數(shù)值模擬研究 [J].振動(dòng)與沖擊,2010，6(6)：54-58.

[2]朱霞,顧景喜,陳俊斌,等. JG3軍用合成制動(dòng)液運(yùn)輸包裝跌落仿真分析 [J].包裝工程,2015(9):64-68.

[3]占智貴,劉明建. 手機(jī)主攝像頭跌落仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2015(2):59-62.

[4]DNV.Offshore Standard DNV-OS-C103 Structural Design of Column Stabilised Units(LRFD Method)[S]. 2004.

[5]DNV.Offshore Standard DNV-OS-A101 Safety Principles and Arrangements[S]. 2001.

[6]DNV.Recommended Practice DNV-RP-103 Column Stabilised Units[S]. 2005.

[上接第38頁(yè)]

圖9　內(nèi)殼板屈曲云圖

4結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了800PCC內(nèi)河商品汽車滾裝船總縱強(qiáng)度的計(jì)算，其中規(guī)范計(jì)算重點(diǎn)提出了聯(lián)合剖面模數(shù)及聯(lián)合慣性矩的概念，這與海船的設(shè)計(jì)理念是完全不同的，但在內(nèi)河船設(shè)計(jì)中是比較常用的。通過(guò)總縱強(qiáng)度有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，屈服計(jì)算較易滿足，沒(méi)有問(wèn)題，但由于本船只有中拱，導(dǎo)致船底板及內(nèi)殼板底部的屈曲需要考慮增加板厚及屈曲筋。

[1]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2014.

[2]中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)使用手冊(cè)(結(jié)構(gòu)分冊(cè))[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

中圖分類號(hào)P75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：韓華偉(1980-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。

基金項(xiàng)目：工信部“高效輕量化吊機(jī)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào)：〔2011〕530)。