閆 偉 焦雙健 何其斌

(中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100)

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不同材料模型和應(yīng)變率對(duì)船舶與海上風(fēng)電平臺(tái)碰撞影響

閆 偉 焦雙健 何其斌

(中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100)

利用非線性顯示動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA，對(duì)三樁式風(fēng)電站遭受船舶撞擊的情形進(jìn)行了有限元計(jì)算，研究了兩種材料模型和不同的應(yīng)變率狀態(tài)對(duì)船舶與三樁式海上風(fēng)電平臺(tái)碰撞結(jié)果的影響，并通過(guò)對(duì)比不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變特性、位移、碰撞力以及能量轉(zhuǎn)化等，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)論。

海上風(fēng)電場(chǎng)，船舶碰撞，應(yīng)變率，材料模型

0 引言

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，船舶碰撞風(fēng)電結(jié)構(gòu)作為一前沿問(wèn)題，關(guān)于此類碰撞的風(fēng)險(xiǎn)從來(lái)沒(méi)有人忽視，深入開(kāi)展這方面的研究，對(duì)減少船舶碰撞事故具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。在進(jìn)行船舶與海上風(fēng)電平臺(tái)研究時(shí)，有必要探討應(yīng)變率狀態(tài)和材料模型問(wèn)題。本文將利用有限元軟件LS-DYNA探討兩種材料模型和應(yīng)變率狀態(tài)對(duì)船舶撞擊三樁式海上風(fēng)電平臺(tái)計(jì)算結(jié)果的影響。

1 材料模型和應(yīng)變率特性

1.1 應(yīng)變率特性

碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，在快速的撞擊動(dòng)載作用下，彈塑性材料模型的力學(xué)特性會(huì)發(fā)生明顯變化，即金屬材料的極限屈服強(qiáng)度明顯提高，屈服現(xiàn)象出現(xiàn)滯后，材料往往不能忽略應(yīng)變率的影響。根據(jù)應(yīng)變率相關(guān)與否，可將彈塑性材料分為率相關(guān)材料和率無(wú)關(guān)材料。

1.2 材料模型

目前在船舶碰撞問(wèn)題研究中，塑性隨動(dòng)材料和分段線性塑性材料模型是兩種較為常用的材料模型。

塑性隨動(dòng)材料能夠考慮材料失效，也能夠考慮應(yīng)變率狀態(tài)，它的應(yīng)變率模型是Cowper-Symonds模型。其屈服應(yīng)力表達(dá)式如式(1)所示，包括與應(yīng)變率有關(guān)的因子。

(1)

(2)

分段線性塑性材料模型能夠考慮材料失效，也能夠考慮應(yīng)變率狀態(tài)，應(yīng)變率模型與塑性隨動(dòng)模型一樣。其屈服應(yīng)力表達(dá)式如式(3)所示，包括與應(yīng)變率有關(guān)的因子。

(3)

2 船舶與三樁式海上風(fēng)電平臺(tái)計(jì)算模型

2.1 有限元模型

本文假設(shè)質(zhì)量為10 000 t的貨船以5 m/s的速度垂直撞擊三樁式海上風(fēng)電平臺(tái)。接觸面算法采用對(duì)稱罰函數(shù)法[1]，采用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算附加水質(zhì)量[2]。將樁土之間的作用采用線性彈簧來(lái)模擬，彈簧單元的剛度根據(jù)“m”法得出。

2.2 仿真工況

根據(jù)材料模型和應(yīng)變率狀態(tài)的不同可選擇四種工況。工況一：分段線性塑性模型，考慮應(yīng)變率；工況二：分段線性塑性模型，不考慮應(yīng)變率；工況三：各向同性隨動(dòng)塑性模型，考慮應(yīng)變率；工況四：各向同性隨動(dòng)塑性模型，不考慮應(yīng)變率。

3 計(jì)算結(jié)果與結(jié)論

3.1 應(yīng)力應(yīng)變和位移對(duì)比分析

圖1～圖4給出了四種工況風(fēng)電站結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖，圖示時(shí)間為船舶速度降為0的時(shí)刻。

將不同材料模型和應(yīng)變率狀態(tài)下的主要應(yīng)力應(yīng)變和位移計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 不同材料模型和應(yīng)變率下主要結(jié)果

通過(guò)表1得出：

1)當(dāng)應(yīng)變率狀態(tài)相同時(shí)，即均考慮應(yīng)變率和均不考慮應(yīng)變率，在不同材料模型情況下，船舶撞擊三樁式海上風(fēng)電平臺(tái)過(guò)程中風(fēng)電平臺(tái)的最大應(yīng)力都表現(xiàn)出一定的差異性，分段線性塑性模型工況下的最大應(yīng)力(無(wú)論是碰撞過(guò)程中的最大應(yīng)力還是船舶速度V=0時(shí)的最大應(yīng)力)均比各向同性隨動(dòng)塑性模型工況下的大，變化幅度在10%左右；材料模型對(duì)于最大應(yīng)變和最大水平位移的影響較小，變化幅度在2%以內(nèi)；

2)當(dāng)材料模型相同時(shí)，應(yīng)變率狀態(tài)對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變水平位移的影響較大。具體來(lái)說(shuō)，考慮應(yīng)變率時(shí)，被撞風(fēng)電平臺(tái)最大應(yīng)力比不考慮應(yīng)變率時(shí)要大。相反，相比較于不考慮應(yīng)變率，考慮應(yīng)變率時(shí)的最大應(yīng)變、最大位移較小。

3.2 碰撞力的對(duì)比分析

圖5表示不同應(yīng)變率狀態(tài)下的碰撞力時(shí)程圖。

無(wú)論是各向同性隨動(dòng)塑性模型還是分段線性塑性模型，A曲線基本上處于B曲線之上，即在碰撞過(guò)程中，考慮應(yīng)變率的情況下的碰撞力基本上都大于不考慮應(yīng)變率情況的碰撞力，這說(shuō)明考慮應(yīng)變率使得結(jié)構(gòu)得到了強(qiáng)化。雖然應(yīng)變率提高了結(jié)果的承載能力，但是圖中A曲線與B曲線的變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明無(wú)論考慮應(yīng)變率與否，結(jié)構(gòu)遭受撞擊后的損傷和變形過(guò)程基本一致，說(shuō)明了結(jié)構(gòu)的失效順序和變形方式基本不受應(yīng)變率狀態(tài)的影響。

圖6表示不同材料模型下的碰撞力時(shí)程圖。

在考慮應(yīng)變率時(shí)，A曲線的最大碰撞力為58.8 MN，B曲線為58.4 MN；在不考慮應(yīng)變率時(shí)，A曲線的最大碰撞力為52.3 MN，B曲線為51.7 MN。這說(shuō)明當(dāng)應(yīng)變率狀態(tài)相同時(shí)，海上風(fēng)電平臺(tái)過(guò)程中風(fēng)電平臺(tái)受到的最大碰撞力基本相等。A曲線與B曲線的變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明在應(yīng)變率狀態(tài)相同的情況下，材料模型對(duì)于碰撞力的影響是很小的。

3.3 碰撞能量的對(duì)比分析

表2表示的是在不同的材料模型和是否考慮應(yīng)變率情況下，系統(tǒng)的能量分析情況。

表2 不同材料模型和應(yīng)變率下系統(tǒng)能量分析匯總

從總體上來(lái)說(shuō)，一方面，無(wú)論是考慮應(yīng)變率還是不考慮應(yīng)變率，材料模型對(duì)于計(jì)算結(jié)果尤其是碰撞力和能量轉(zhuǎn)化的影響不大。另一方面，材料應(yīng)變率對(duì)于碰撞計(jì)算結(jié)果的影響很明顯，從結(jié)果上看，它提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，改善了結(jié)構(gòu)的抗撞性能，但是撞擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)的失效順序和變形方式基本不受應(yīng)變率狀態(tài)的影響。

[1] 常冬瀟.雙壁鋼圍堰自旋浮筒橋墩防撞裝置的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)碩士論文，2012.

[2] 李艷珍，鄒早建.船舶與海上風(fēng)電站碰撞的數(shù)值仿真研究[D].上海：上海交通大學(xué)碩士論文，2010.

[3] 王自力，顧永寧.應(yīng)變率敏感性對(duì)船體結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(12)：1704-1707.

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The influence of different material models and strain rates to ship and offshore wind power platform collision

Yan Wei Jiao Shuangjian He Qibin

(Engineering School, China Ocean University, Qingdao 266100, China)

Using the nonlinear display dynamics software LS-DYNA, this paper made finite element calculation to the situations of three pile wind power station suffer ship collision, researched the influence of two kinds of material models and different strain rates state to ship and three piles offshore wind power platform collision results, and through the stress and strain characteristics, displacement and energy transformation etc. though comparison of different construction, obtained the related data and conclusions.

offshore wind farm, ship collision, strain rate, material model

1009-6825(2017)16-0047-03

2017-03-28

閆 偉(1991- )，男，在讀碩士； 焦雙健(1973- )，男，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授； 何其斌(1988- )，男，在讀碩士

U661.4

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