許飛凡,李欣燁,劉敬喜

(1.海軍駐大連426廠 軍事代表室, 大連 116000)(2.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 武漢 430074)

海洋平臺(tái)作為海洋油氣資源開(kāi)采的關(guān)鍵裝備,在其服役過(guò)程中不僅要遭受風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境載荷的作用,還有可能會(huì)受到平臺(tái)供應(yīng)船、守護(hù)船或其他通航船舶偶然性撞擊事故載荷的作用．船舶撞擊海洋平臺(tái)的直管結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)造成管的大變形或破壞,從而威脅海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全,導(dǎo)致重大災(zāi)難性事故的發(fā)生．

為了研究海洋平臺(tái)管結(jié)構(gòu)在船舶撞擊作用下的承載性能,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員開(kāi)展了大量的理論和試驗(yàn)研究工作．文獻(xiàn)[1]開(kāi)展了兩端固支鋼管結(jié)構(gòu)在楔形撞頭沖擊下的試驗(yàn)研究,探討了圓管幾何尺寸、沖擊位置等對(duì)結(jié)構(gòu)變形性能的影響．文獻(xiàn)[2]對(duì)兩端固支的鋼管結(jié)構(gòu)在落錘沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的觀察,對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)截面沿管長(zhǎng)方向上的變形用三段函數(shù)來(lái)描述．文獻(xiàn)[3-4]基于剛塑性理論分析結(jié)果和試驗(yàn)研究結(jié)果,認(rèn)為當(dāng)撞擊物質(zhì)量較大且碰撞速度較小時(shí),可以采用準(zhǔn)靜態(tài)方法分析方法處理動(dòng)態(tài)沖擊問(wèn)題．文獻(xiàn)[5]采用73組低速?zèng)_擊試驗(yàn)與7組準(zhǔn)靜態(tài)碰撞試驗(yàn)的比較,驗(yàn)證了可以采用準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)來(lái)模擬低速?zèng)_擊試驗(yàn)．文獻(xiàn)[6]利用準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn),研究了鋼管結(jié)構(gòu)破壞載荷及結(jié)構(gòu)的吸能能力,探討了不同邊界條件對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響．文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值仿真技術(shù),針對(duì)不同尺寸的圓管結(jié)構(gòu),研究了當(dāng)撞擊位置不同時(shí)力-撞深曲線的規(guī)律．文獻(xiàn)[8]通過(guò)能量原理,建立了圓管受橫向撞擊的力響應(yīng)的簡(jiǎn)化解析計(jì)算方法．文獻(xiàn)[9-11]用有限元數(shù)值方法和試驗(yàn)方法對(duì)海洋平臺(tái)T型節(jié)點(diǎn)的受碰撞性能開(kāi)展了研究,文獻(xiàn)[12-13]研究了K型節(jié)點(diǎn)的受撞擊性能．此外,文獻(xiàn)[14-15]也對(duì)圓管受橫向撞擊的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值研究和試驗(yàn)研究．文中采用準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)方法,開(kāi)展了不同幾何形狀撞頭——楔形撞頭和平面撞頭作用下直管結(jié)構(gòu)承載性能的研究,討論了直管幾何尺寸、不同撞擊位置對(duì)承載性能的影響規(guī)律．

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1．撞擊力通過(guò)壓力傳感器獲取,壓力傳感器布置在撞頭與液壓千斤頂中間．直管的橫向變形則通過(guò)位移傳感器獲取,其中一個(gè)位移傳感器為激光位移傳感器,通過(guò)工裝固定在測(cè)量架上,測(cè)量直管上頂點(diǎn)的變形;另外一個(gè)位移傳感器為拉線位移傳感器,一端與液壓千斤頂?shù)臍んw連接保持固定,一端與壓力傳感器固定,并隨壓力傳感器運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)變形的測(cè)量．壓力傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)及位移傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理．

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖及照片F(xiàn)ig.1 Schematic diagram of quasi-static test

圓管試件兩端焊接端板,端板與固定基座采用螺栓實(shí)現(xiàn)剛性固定,如圖2．固定基座采用地腳螺栓實(shí)現(xiàn)與地面的剛性固定．考慮到圓管試件在受到側(cè)向碰撞載荷作用時(shí),圓管因大變形而造成的軸向力會(huì)拉動(dòng)固定基座產(chǎn)生軸向移動(dòng)．為了限制基座的相對(duì)移動(dòng),在兩基座間用兩根支撐桿(實(shí)心鋼制圓棒)連接,支撐桿兩端通過(guò)螺栓與基座連接固定．

圖2 圓管試件端部照片F(xiàn)ig.2 Photograph of circular tube end

2 試驗(yàn)用撞頭及模型試件

試驗(yàn)所用的圓管試件選取兩種幾何尺寸的無(wú)縫鋼管,其直徑與壁厚分別為159 mm×5 mm和114 mm×8 mm,并將其定義為A系列和B系列．試驗(yàn)采用兩種形狀的撞頭,分別為楔形撞頭和平面撞頭,如圖3．

圖3 撞頭尺寸示意(單位:mm)Fig.3 Dimensions of the indenter(unit:mm)

根據(jù)試件幾何尺寸、試件長(zhǎng)度、撞頭形狀、撞擊位置確定試件的編號(hào)如表1．試樣的編號(hào)由3位字母和數(shù)字組成:第1個(gè)字母用于標(biāo)示試樣直徑D,A系列試樣直徑為159 mm,B系列試樣直徑D為114 mm;第2個(gè)字母用于標(biāo)示撞頭形狀,S為楔形撞頭，F(xiàn)為平面撞頭；第3個(gè)字母用于標(biāo)示撞擊位置,M表示撞擊位置位于跨中，Q表示撞擊點(diǎn)位于跨距的1/4位置；數(shù)字表示試樣的長(zhǎng)度,例如1 200表示試樣長(zhǎng)度L為1 200 mm,2 500表示試樣長(zhǎng)度L為2 500 mm．

表1 試驗(yàn)編號(hào)及圓管結(jié)構(gòu)試件尺寸Table 1 Test number and specimens size of circular tube mm

每根圓管試件上采用白色記號(hào)筆繪制40 mm×40 mm的網(wǎng)格,以便在試驗(yàn)中可以更好地觀察試件在側(cè)向碰撞載荷作用下的變形模式．圓管結(jié)構(gòu)試件圓管試件照片如圖4．

圖4 直管試件照片F(xiàn)ig.4 Photograhp of straight tube specimens

3 試驗(yàn)過(guò)程

圓管試件裝配完成后,打開(kāi)液壓千斤頂?shù)挠捅瞄_(kāi)關(guān),操作控制桿實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)纳?如圖5．通過(guò)調(diào)節(jié)油路控制閥門來(lái)控制千斤頂?shù)纳邓俣?使千斤頂以約10 mm/min的速度緩緩壓載圓管試件,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)的加載過(guò)程,加載速率較低,可忽略動(dòng)態(tài)應(yīng)變率的影響．

圖5 液壓千斤頂控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic jack control system

加載過(guò)程中,可直接觀察到圓管試件產(chǎn)生塑性變形,當(dāng)采集系統(tǒng)顯示力載荷突然下降,且伴隨清脆的鋼管破裂聲時(shí),說(shuō)明兩端固支圓管試件達(dá)到了其極限承載能力而發(fā)生破壞,此時(shí)停止加載并隨之卸載．卸載過(guò)程中可觀察到圓管試件出現(xiàn)了彈性回彈現(xiàn)象．

4 試驗(yàn)結(jié)果及比較分析

圖6為直管失效時(shí)的變形照片．從圖中可以看出:直管試件產(chǎn)生了非常明顯的整體彎曲變形,而碰撞區(qū)域則表現(xiàn)為明顯的局部凹陷,遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的圓管截面仍保持為圓形．從圖中還可已看出:A系列試件相對(duì)B系列試件直徑大、管壁薄,局部剛度較小,在遭受碰撞載荷的作用時(shí),受撞部位的圓管截面凹陷變形明顯．直管的最終失效均是端部出現(xiàn)撕裂,原因是由于試件的大變形產(chǎn)生了較大的軸向拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的疊加所致,直管端部的撕裂圖片如圖7．

圖6 典型A、B系列直管試件最終失效變形Fig.6 Final failure of straight tube spectimens of series A and B

圖7 試件端部撕裂破壞照片F(xiàn)ig.7 Tearing failure specimens end

表2給出了A、B系列試件的承載能力、局部變形和整體變形的試驗(yàn)結(jié)果．從表中可以看出:① 同一種形狀撞頭作用下,直管的局部變形受管長(zhǎng)的影響很小,但受管壁厚度的影響較大;② 直管的整體變形受管長(zhǎng)和壁厚影響均大,與管長(zhǎng)近似呈正比關(guān)系,與壁厚近似呈反比關(guān)系．這是由于管壁厚度增大,造成了體剛度增加所致;③ 同一形狀撞頭作用下,管壁厚度對(duì)碰撞力的影響較大,而管長(zhǎng)對(duì)其影響較小,碰撞力隨著管長(zhǎng)的增加緩慢增大;④ 對(duì)于同一直管,不同形狀撞頭作用下,其碰撞力、局部變形和整體變形均不同,楔形撞頭作用下的碰撞力、局部變形和整體變形較平面撞頭大;⑤ 當(dāng)碰撞位置靠近端部時(shí),其碰撞力和整體變形均小于撞擊中間位置．

表2 試件承載能力、局部變形和整體變形試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of load capacity local deformation and global deformation of specimens

圖8為A、B系列試件的碰撞力與直管整體變形和局部凹陷變形的關(guān)系曲線．從圖中可以看出:① A系列直管試件曲線呈現(xiàn)出明顯的三階段非線性特征,起始階段碰撞力隨著變形的增加增大,中間階段碰撞力隨變形的增加增大趨勢(shì)減緩,第三階段碰撞力隨著變形的增加增長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)一步降低．② B系類直管試件由于管壁較厚,其曲線并沒(méi)有表現(xiàn)出較為明顯的三階段特征．

圖8 A、B系列試件碰撞力與整體變形和局部變形關(guān)系Fig.8 Force with global and local deformation curves of series A and B specimens

5 結(jié)論

(1) 圓管的變形模式為典型的局部凹陷與整體彎曲變形組合的模式,碰撞區(qū)域附近的圓管試件會(huì)產(chǎn)生明顯的局部凹陷變形,而遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的直管橫截面仍保持圓形;試樣在整體上呈現(xiàn)三點(diǎn)彎曲變形的變形模式．圓管試件的失效是由于彎曲變形產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力和根部的彎曲應(yīng)力疊加所致.

(2) 直管的承載能力隨著長(zhǎng)度的增加而增加,但增加得較為緩慢,而直管壁厚對(duì)承載能力影響較大.

(3) 直管的整體變形受管長(zhǎng)和壁厚影響均較大,與管長(zhǎng)近似呈正比關(guān)系,與管壁近似呈反比關(guān)系.

(4) 撞頭形狀對(duì)直管撞擊的碰撞力、局部變形和整體變形有較大影響,楔形撞頭作用下的碰撞力、局部變形和整體變形較平面撞頭大．