摘要：科技在快速的发展，社会在不断的进步，我国的船舶技术在我国得到了良好的发展。海洋平台和船舶如果发生碰撞，在一定程度上将会对海洋平台上的人员安全产生很大影响，甚至会造成部分结构出现严重损伤，进而造成工作出现停滞或者其他方面的重大经济损失。文章将船舶碰撞引起的海洋平台结构损伤这个角度作为出发点，对其展开深入探讨与论述。
关键词：碰撞；海洋平台；结构损伤
引言
在海洋油气开发中钢质导管架平台结构得到了广泛的使用。它们在复杂的海洋环境中工作,除了受到正常的工作荷载外,还要受到海风、波浪、海流和海冰等环境荷载的作用。同时由于意外突发事故的发生,如船舶与海洋平台结构的碰撞、平台上部结构落下的重物等。碰撞经常使平台结构构件发生整体弯曲和局部凹陷,承载能力降低,影响构件的安全,有时会极大地减弱整个平台结构的强度。另一方面,由于海上受损构件的修理较困难,而且费用也较大,提出合理可行的修理加固方案需要建立在精确评估损伤对整个平台结构的影响基础上。因此,如何正确分析和评估海洋导管架平台结构由于碰撞所造成的损伤及其损伤对平台结构的强度、承载能力和疲劳寿命的影响便成为海洋工程中的重要研究课题。通常,在研究海洋导管架平台结构与船舶的碰撞问题当中,把碰撞的动力学问题转化为准静态问题,进行平台结构和构件的静强度分析计算,这在研究碰撞问题的初级阶段是可行的,有助于对碰撞机理和受损构件残余强度的了解。然而,碰撞过程是一个动力过程,涉及到许多复杂不确定性的静、动力因素,如船舶与海洋平台结构的碰撞方式,碰撞的接触时间,桩-土-平台结构的相互作用,海洋环境载荷的作用等。本文以南海某一导管架平台结构的X斜撑在导管架安装阶段受到大吨位起重铺管船撞击后的损伤检测结果为依据,考虑了桩-土-平台结构的相互作用,采用非线性弹簧来模拟受损构件局部凹陷损伤,反演分析计算平台结构构件和管节点的应力、位移时间历程曲线,对导管架平台结构的损伤程度进行评估分析。
1概述
在平台碰撞领域的研究分为中，一般将其力学机理分为外部碰撞力学(或称外部机理)和内部碰撞力学(或称内部机理两部分。外部碰撞力学主要描述船舶的刚体运动以及耗散于结构损伤变形的碰撞能量。内部碰撞力学则着力于求解碰撞区域结构的损伤变形与碰撞载荷之间的非线性关系。目前外部碰撞动力学的研究手段主要是解析法，对内部动力学的研究主要是非线性有限元法。作为一项基础性研究工作，本章主要对平台碰撞外部动力学的解析方法进行了消化、吸收和整理，重点讨论了文献[}z}]中的解析法，最终得到碰撞力、船舶吸能、平台吸能的理论表达式，并对此方法的局限性进行讨论分析。同时，本章还介绍了非线性有限元法在碰撞领域的应用，重点讨论了平台碰撞数值仿真中所涉及的基本原理和关键技术，分别对显式非线性有限元方法的基本理论、考虑应变率影响的弹塑性材料模型、接触一摩擦算法等问题进行了探讨。
2船撞平台有限元模型
2.1船舶模型
与平台发生碰撞的船舶类型主要为供给船，其占所报道的发生碰撞事故的船舶总数的78%，而大约95%的供应船的排水量为5000t。因此，本文设船舶的排水量为5000t，船长为75．5m，型宽为13．2m，型深为7．5m，船尾碰撞方向沿船长方向，碰撞位置与船中的距离为21．83m。
2.2船舶和自升式海洋平台发生碰撞解析方法分析
船舶碰撞力学机理划分为外部碰撞力学与内部碰撞力学两个重要部分。外部碰撞力学通常是指用于描述船舶刚体运动与结构损伤变形发生的碰撞能量，内部碰撞力学大部分是为了求解碰撞区域结构中损伤发生变形和碰撞载荷两者之间的关系。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆外部碰撞力学常用的研究方法主要是解析法，内部碰撞动力学主要通非线性有限法。当船舶和自升式海洋平台发生碰撞之后，大部分动能能够在海洋平台中得到保存。在这种条件下自升式海洋平台总体动力也会发生很大变化，可以将碰撞系统简化成两大部分，一部分代表船舶、另一部分代表自升式海洋平台。分析方法大多数情况下是在刚体动力学的基础上对整个船舶和自升式海洋平台发生碰撞的研究。如果船舶处于一种动荡状态，很多外部接触区域会发生严重变形。接触的区域范围一般都非常小，船舶和自升式海洋平台发生碰撞通常是在很短时间，但就是这个瞬间会发生一个脉冲力。这个脉冲力会使撞击后的自升式平台产生一个加速度，并使受撞击荷载作用的圆管发生变形。
2.3渗透检测技术
渗透检测技术主要是使用毛细作用原理进行检测，一般用于非金属部件表面开头缺陷或者非疏松孔金属中的检测。在使用这种技术进行检测之前，通常会在结构表面注入一些与荧光粉相似的染色液体，这些液体通过毛细原理能够渗入到有缺陷的表面上，把溢流出的液体清理掉后，把表面晾干再涂上厚厚的一层显像剂，这样就能够检测出海洋平台构件中存在的缺陷形貌。
2.4附加质量
对于船舶与平台碰撞过程中附连水的考虑，通过比较流固耦合法与附加质量法的计算结果，证明了用附加质量法与用流固耦合法得到的仿真结果相近。由于流固耦合法计算效率较低，所以本文选择附加质量法考虑附连水作用的影响。就附加质量系数进行了一系列模型试验和水动力分析，发现横移运动船舶的附加质量为0．4倍的船体质量，而纵移运动船舶的附加质量为0．1倍的船体质量。因此，当船首碰撞平台时船体的实际质量为5500t;当船中或船尾撞击平台时船体的实际质量为7000t。
2.5涡流检测技术
涡流检测技术主要以电磁感应原理为基础，通过检测海洋平台构件中内感应涡流发生的变化状况，进而对导电材料与工件性能展开综合评价与判断，从而能够发现海洋平台结构中的缺陷位置。涡流检测技术通常是创建在电磁感应基础上的一种无损检测方法，主要是检测线圈阻抗中发生的变化。这种检测技术的工作原理主要是把检测线圈用于检测海洋平台结构中，磁场中的方向与原先磁场方向相反，同时还能够削弱原磁场，检测线圈还会造成电感与电阻之间发生分量变化，通过这种变化能够检测出海洋平台结构中的构件是否存在缺陷，这种技术对海洋表面中存在的缺陷检测具有很高的灵敏度，在某种条件下能够全面反映裂纹深度信息状况，能够被广泛地应用到细线、薄壁和海洋平台零件内孔表面检测中。
结语
本文基于有限元软件ABAQUS对船首、船中和船尾与自升式海洋平台碰撞进行了数值模拟研究，通过比较得到的主要结论如下:(1)在同一条船初始动能相同(不计附加质量)的前提下，船首碰撞持续的时间最长，碰撞力的峰值最大，对平台桩腿弦管的局部破坏最严重。船中碰撞和船尾碰撞时碰撞位移较大(其中船中碰撞时碰撞位移最大)，会使平台产生较大的整体变形。(2)不论是船首碰撞、船中碰撞还是船尾碰撞，碰撞力的总体趋势都是先增大后减小的，船首碰撞碰时碰撞力最大，船尾碰撞时碰撞力其次，船中碰撞时碰撞力最小。(3)撞击船的动能主要被平台桩腿的弦管变形所吸收，船中碰撞时平台最大总吸能在总能量中占的比例较大，而船首碰撞时平台的塑性变形能在总能量中占的比例比较大，说明船中碰撞使平台产生的弹性变形较多，而船首碰撞使平台产生的塑性变形较多。
参考文献
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［3］陈永念，谭家华．数值仿真中单元密度对材料失效应变的影响［J］．船海工程，2007，36(6):1-4．
论文作者:夏董华,李海燕,李晓琴
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/12/9
标签：平台论文; 船舶论文; 结构论文; 海洋论文; 发生论文; 损伤论文; 船首论文; 《基层建设》2019年第24期论文;