自升式平台直管结构碰撞模型试验与仿真分析

随着海洋油气开发的日益深入,海洋平台作为主要的作业基地发挥着重要作用。然而平台在进行钻井与采油作业时,与供给船、守卫船等发生碰撞的风险较大,不仅危及自身整体安全性,亦会造成巨大的经济损失。开展自升式平台碰撞性能研究,揭示碰撞过程中的损伤变形机理,对更好地开展自升式平台耐撞结构设计具有重要意义。本文以自升式平台桩腿直管为研究对象,开展平台管结构的落锤冲击模型试验,探究不同冲击速度下直管结构的动态响应特征。同时,结合有限元仿真技术对落锤冲击过程进行数值模拟,得到碰撞力、塑性变形、跨中挠度等参数,并与试验数据对比分析,从而验证数值仿真模型化技术的准确性。研究结果表明,管结构模型试验记录的数据与数值模拟的结果吻合较好,均真实反应了管结构在受到侧向冲击载荷时的动态响应,验证了模型试验技术的准确性。同时就不同冲击速度下管结构的变形与受力规律可知平台桩腿管结构的耐撞性能。本文研究成果可以为大型平台结构碰撞性能提供试验技术支撑。     

基于“板-梁”耦合技术的自升式海洋平台碰撞性能研究

随着世界各国对海洋资源开发的不断重视,各种海洋能源开发装备不断研发与应用,船舶与海洋平台碰撞的事故越发频繁.开展海洋平台碰撞性能研究,揭示平台结构在碰撞过程中的损伤变形机理,对更好地开展平台耐撞结构设计具有重要意义.由于海洋平台结构庞大且复杂,对其开展整体碰撞性能研究时,需要对模型进行合理简化.文中基于非线性有限元软件ABAQUS,针对自升式海洋平台结构特点,提出了"板-梁"耦合技术,以简化建立自升式海洋平台的碰撞模型.利用该技术分析了平台遭遇5 000 t补给船撞击下的动态响应,从损伤变形、碰撞力、能量吸收等方面对自升式海洋平台结构碰撞性能进行研究.研究结果表明:船舶与海洋平台碰撞具有明显的局部特征,碰撞区域的弦杆和撑杆均发生了较为明显的弯曲变形,且撑杆为主要的吸能构件,可见,适当增加碰撞区域撑杆的强度,可以有效提高平台的碰撞性能.     

一种新的碰撞耗散能快速估算方法及其在船—平台碰撞事故中的应用研究

海洋平台在作业过程中存在遭受船舶碰撞的潜在危险,一旦事故发生将可能导致结构严重损伤从而影响平台的作业安全,因此在平台结构设计阶段需要考虑其抗撞性能.文章以海洋供应船撞击半潜式钻井平台为研究对象,基于碰撞外部动力学理论和DNV规范计算方法,计及平台艏摇运动响应的影响,提出了一种新的耗散能估算方法-DNV`R解析法.以非线性有限元船-平台碰撞数值仿真结果为参考,将该解析法与规范法、Zhang解析法及Liu解析法计算结果进行对比,研究得出:文中所提出的DNV`R解析法弥补了规范法较为保守且仅适用于对心碰撞场景的不足,计算过程简单、便捷,且计算精度与Zhang解析法和Liu解析法基本接近,能够满足船-平台碰撞耗散能快速估算的精度要求.     

一种新的碰撞耗散能快速估算方法及其在船—平台碰撞事故中的应用研究（英文）

海洋平台在作业过程中存在遭受船舶碰撞的潜在危险,一旦事故发生将可能导致结构严重损伤从而影响平台的作业安全,因此在平台结构设计阶段需要考虑其抗撞性能。文章以海洋供应船撞击半潜式钻井平台为研究对象,基于碰撞外部动力学理论和DNV规范计算方法,计及平台艏摇运动响应的影响,提出了一种新的耗散能估算方法-DNV`R解析法。以非线性有限元船-平台碰撞数值仿真结果为参考,将该解析法与规范法、Zhang解析法及Liu解析法计算结果进行对比,研究得出:文中所提出的DNV`R解析法弥补了规范法较为保守且仅适用于对心碰撞场景的不足,计算过程简单、便捷,且计算精度与Zhang解析法和Liu解析法基本接近,能够满足船-平台碰撞耗散能快速估算的精度要求。     

船体背液板架碰撞损伤机理研究

为研究舱内液货对船体结构损伤机理的影响,利用数值仿真软件MSC.Dytran,计算出背液板架流固耦合力、碰撞力、损伤变形以及能量吸收等,并与背空板架进行了对比分析.结果表明,背液板架的损伤机理明显区别于背空板架,流固耦合力使得结构的变形模式发生了改变、碰撞力增加、极限撞深减小.     

柔性、刚性球艏对双壳舷侧结构耐撞性能影响的研究

采用非线性显示动力有限元软件LS_DYNA,对舷侧双壳结构在柔性和刚性球艏撞击下的动力响应进行仿真研究.采用全船有限元模型,考虑船体周围附连水质量对结构动力响应的影响.给出了碰撞力-撞深、能量-撞深曲线以及各构件吸收的能量.仿真结果表明:不同球艏撞击下舷侧内外壳板的破裂时刻、撞深和舷侧结构变形性能都有所不同.     

三体船与刚性体碰撞性能及结构优化研究

以经典小型高速三体船为研究对象,对碰撞非线性有限元分析方法及理论进行研究。借助动态非线性有限元软件MSC.Dytran,模拟三体船整船结构模型,通过三体船主体与刚性墙之间正面碰撞,研究其在结构损伤变形、位移、速度、碰撞力和船体结构能量吸收等方面上的性能,并对三体船结构提出优化方案。通过仿真计算和比较,得出在碰撞过程中的碰撞力、速度、撞深以及能量吸收等耐撞性指标,为三体船结构优化和船舶正常航行提供参考依据。     

小型快艇结构耐撞性研究

船舶碰撞是一种复杂非线性瞬态响应过程,在碰撞区内的构件一般迅速进入塑性流动状态,出现撕裂、屈曲等形式的破坏和失效,因此对小型快艇结构碰撞特性进行分析非常必要。分析了艇艏撞击作用下快艇舷侧加筋结构的渐进破坏过程,给出了撞深曲线。为表征小型快艇船体结构的耐撞性能,建立了基于综合考虑塑性应变衡准和撞深衡准的小型艇结构耐撞性评价模型。最后,运用有限元法进行数值分析,开展快艇改进舷侧的结构耐撞性优化研究。数值分析表明,对于中小型快艇,碰撞损伤主要是艇体的总体弯曲变形,损伤变形区域占全船的比例较大,采用塑性应变衡准和撞深衡准能有效地刻画中小型快艇结构耐撞性。     

船首形状对舷侧结构碰撞性能的影响研究

船舶碰撞问题一直是船舶力学界研究的热点,但以往的研究并没有深入分析各类船舶的不同艏部形状对碰撞性能所产生的影响.为此利用数值仿真软件MSC/Dytran,对具有不同曲率的球鼻型船首和不同张角的常规船首撞击下舷侧结构的碰撞性能进行了定量的比较研究.结果表明,撞击船首部形状对被撞船舷侧结构的碰撞性能产生显著的影响,撞击船球鼻曲率形状参数越小或艏部张角越大,舷侧结构极限撞深提高,碰撞力增大,极限撞深时的吸能增多.     

计及船体梁载荷影响的船舶舷侧结构碰撞性能

以被撞船舷侧结构作为研究对象,建立了两船发生侧向对中垂直碰撞的非线性有限元模型。并以此为基础,进行了被撞船舷侧结构碰撞数值仿真研究,得到了能量-碰撞船位移以及碰撞力-碰撞船位移的关系曲线;研究了预载荷对船舶舷侧结构碰撞性能的影响。数值仿真结果表明,由于船体梁载荷的作用,船舶结构碰撞性能受到一定程度的削弱。     

碰撞/搁浅事故中船体强桁材结构损伤机理解析预报方法研究

随着航运业的快速发展,海上航行的船舶越来越多.尽管人们做了许多努力避免海上意外事故的发生,但海难事故依然不可避免.为了降低上述事故造成的损失,需要在设计阶段快速并准确地预报船舶的结构耐撞性.本文以强桁材结构为研究对象,通过开展准静态冲压试验及相应的数值仿真,分析强桁材结构在面内冲压载荷作用下的变形机理,并基于试验与仿真所得到的结构变形特点,提出强桁材面内受压时的变形模式.以此为基础,运用塑性力学理论,推导出结构变形能、瞬时结构变形抗力及平均结构变形抗力的解析预报公式,并将计算结果与试验结果进行比较验证.研究得到的结构面内受压变形能和抗力解析计算公式,可以快速评估事故载荷下结构的响应情况,包括结构变形阻力及能量耗散,具有使用方便,计算速度快,计算结果相对可靠的优点,对船体耐撞结构设计及抗撞性能评估具有一定的指导意义.     

台风条件下TLP串行立管系统碰撞分析

TLP立管系统以丛式方阵排列,台风条件下立管在波浪、海流及平台的联合作用下可能发生碰撞,有必要深入研究TLP串行立管系统的碰撞情况。文章基于DNV-RP-F203规范和Huse半经验尾流模型,提出台风条件下串行立管下游立管来流速度计算方法和立管系统碰撞分析方法,建立串行立管—井口—导管系统耦合有限元模型,研究台风条件下串行生产立管系统碰撞时的力学特性,在整体碰撞分析的基础上进行立管局部碰撞精细化分析,对比分析立管局部碰撞理论解和仿真解的不同。结果表明:下游立管来流速度的计算至少采用文中建立的方法迭代3次。串行立管发生碰撞时的最大应力发生在泥面导管处,碰撞位置应力发生了突变;立管发生碰撞的位置在水深100-120 m范围内。立管局部碰撞分析的理论解和仿真解基本吻合。     

半潜式平台遭遇碰撞的结构响应分析

半潜式平台由于工作水深大,与其他类型的海洋平台相比,其在工作状态下遭遇船舶碰撞的风险最高,事故后果也最为严重。基于非线性动力学分析方法,以某半潜式平台为例,在考虑破损稳性的基础上,对其遭遇船舶碰撞的结构损伤和动力响应进行分析,并进一步针对主要撞击参数的影响进行了研究,为考虑碰撞载荷的半潜式平台结构设计提供参考。     

基于局域网的避碰模拟训练系统开发

避碰训练是船舶驾驶员都应接受的基础训练科目,依据国际海事组织的规定和用户需求,在计算机平台上,开发了基于局域网的船舶避碰模拟训练系统.介绍了系统的结构、教员机和学员机的功能及各终端的作用,详细论述了系统的网络通信流程、数据结构等关键技术的实现方法.该系统既可作为船舶驾驶员的避碰模拟训练平台,又可用作教练员对避碰案例进行分析、讲解的演示平台.系统具有成本低、可靠性高、功能齐全等特点,在实际应用中取得了良好的效果.     

定机移船码头的靠船桩系统计算方法

定机移船码头结构由装卸平台、移船平台和设置于平台前沿的靠船桩组成。其中靠船桩在靠泊过程中承受船舶撞击力并将其传递给后方橡胶护舷和码头平台,结构受力形式复杂,为码头设计的关键,现有规范和手册没有相应的计算方法。针对该问题,着重论述了靠船桩的设计特点;通过把护舷压缩过程简化为理想弹塑性变形、将靠泊过程分为3个阶段分别分析其受力状态;并利用能量守恒的原理,建立了系统受力、位移和吸能的方程组;总结了一套简化计算方法,并通过实际工程加以检验。     

基于解析法的船-平台碰撞耗散能快速估算方法

海洋平台在作业过程中存在遭受船舶碰撞的潜在危险,一旦事故发生将可能导致结构产生严重损伤从而影响平台的作业安全,因此在平台结构设计阶段考虑其抗撞性能具有重要意义.本文以供应船撞击半潜平台为研究对象,基于碰撞外部动力学分析理论,在浮式平台规范法耗散能计算基础上,运用解析法推导出考虑平台艏摇运动响应的船舶非对心撞击平台耗散能求解方程,同时借鉴船-船碰撞耗散能估算方法,得到一般碰撞场景即考虑船-平台在碰撞过程中相对运动的耗散能解析式,并自编计算耗散能程序,实现船-平台碰撞碰撞耗散能的快速估算.最后通过非线性有限元分析(NLFEA)方法,计算出供应船与平台在碰撞过程产生的应变能并与解析法的算例结果进行对比,结果表明:规范法耗散能估算方法较为保守,不适用于一般碰撞场景下的耗散能估算;本文所提出的耗散能解析法可用于准确可靠地估算相类似船-平台碰撞场景下撞击船的耗散能.     

边坡稳定性分析的广义Bishop法

鉴于简化B ishop法作为一种简单实用且精度较高的极限平衡方法却仅限于分析圆弧破坏的缺陷,提出将B ishop法应用于任意滑裂面的广义方法.基于极限平衡理论和简化B ishop法的简化条件,推导其用于一般滑裂面破坏的边坡安全系数计算公式.通过实例分析考证比较该法的精度,并提出取矩中心的确定方法,以保证竖向力简化假设下的精度,为土坡稳定性分析提供了一种简单通用的方法.     

传统双层舷侧结构的碰撞数值仿真研究

船舶碰撞是船体结构在很短的时间内承受巨大碰撞载荷作用的一种复杂非线性动态响应过程。应用非线性有限元数值仿真方法研究了传统双层舷侧结构在正碰状况下的碰撞性能,分析碰撞过程中舷侧结构的损伤特点和吸能特性,为研究提高舷侧结构抗撞性提供参考。     

Integrated numerical analysis of an iceberg collision with a foreship structure

This paper presents results of integrated elasto-plastic analyses of ship-iceberg collisions based on continuum mechanics modelling of both bodies. The collision simulation was simplified by splitting the problem into external and internal mechanics, which are both discussed in detail. A simplified formulation was used to obtain the demand for energy dissipation in a ship-iceberg collision. The internal mechanics was assessed by means of the explicit non-linear code LS-DYNA 971. A new iceberg material model was used to simulate the iceberg behaviour during the impact. The foreship structure was modelled by shell elements. Rupture due to excessive straining was taken into account by a widely used steel fracture model. The relative strength of the ship and iceberg was varied by adjusting the stress-strain properties of the steel. Two iceberg shapes were investigated: a half-sphere with a radius of 2000 mm and another half-sphere with a radius of 1000 mm. The point of impact of the iceberg was assumed to be either the web frame or midway between web frames. The evolution of contact pressure and the distribution of damage to the foreship and crushing of the iceberg were studied comprehensively.