（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）物体坠落对平台甲板冲击破坏的判据研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 海洋平台是海洋资源开发的重要基础设施，除去正常的工作载荷与环境 载荷外，一些偶然性事故也时有发生。物体坠落就是海洋平台作业当中常见 的一种事故，不论对作业人员还是海洋平台结构都会造成严重影响。因此物 体坠落冲击海洋平台造成的破坏研究非常重要。 本文利用大型有限元软件a n s y s l s d y n a 建立模型，模拟物体坠落冲 击平台甲板的动态过程，计算使平台甲板结构破损的临界变形能，并分析了 失效应变与临界变形能的本构关系以及重要影响因素。临界变形能是本文探 求的重点，它与构件的失效应变有关。而在模型建立的过程中，失效应变的 取值又与模型网格的单元长度有关，这个关系是以模型构件厚度与单元长度 的比值不大于o 2 为前提的。对于失效应变与单元长度的关系，本文根据相 应的经验公式，采用不同单元网格的划分，并对每种划分进行物体坠落在甲 板板、纵骨、横梁不同位置的模拟，经过调试几何与物理影响参数的本构关 系，找出了临界变形能、有限单元尺寸以及各结构的失效应变，使临界变形 能受失效应变的影响很小，并趋于常数，从而对已有的单元网格与失效应变 的经验公式进行了修正，为今后计算模型的建立以及切合实际的计算结果提 供更准确的参考。 另外本文还会根据甲板的几何特征，从物体坠落在甲板不同位置的可能 性出发，得出物体坠落在不同位置的临界变形能的加权系数，以求得整个甲 板结构的临界变形能，为今后的海洋平台甲板结构设计考虑物体坠落极端载 荷提供了切合工程实际的参考数据。 关键词：物体坠落；a n s y s l s d y n a ；失效应变；临界变形能 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 -| imi m_i i 宣i 宣宣宣昌昌葺皇暑| 暑 a b s t r a c t o f f s h o r ep l a t f o r mi sa l li m p o r t a n tf a c i l i t yf o re x p l o i t i n go c e a na n do i ln a t u r a l g a s s o m eo c c a s i o n a la c c i d e n t so f t e nh a p p e nb e s i d e st h en o r m a lw o r k i n gl o a d s a n dt h ee n v i r o n m e n tl o a d s d r o p p e do b j e c ti so n eo ft h eu s u a la c c i d e n t sd u r i n g t h eo p e r a t i n go no f f s h o r ep l a t f o r m t h es t r u c t u r e so ft h eo c e a np l a t f o r ma sw e l la s t h ep e o p l ew h ow o r ko nt h e r eh a v eb e e nt h r e a t e n e ds e v e r e l y s oi ti si m p o r t a n tt o d or e s e a r c ho nt h er u p t u r eo ft h ep l a t f o r mw h i c hi si m p a c t e db y d r o p p e do b j e c t i nt h i st h e s i s ，t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s l s d y n aw a sa p p l i e df o r m o d e l i n gt os i m u l a t et h ed y n a m i cp r o c e s so ft h ed r o p p e do b j e c ti m p a c t i n gt h e d e c ko fo c e a np l a t f o r m ，c a l c u l a t et h ec r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g yw h i c hm a k e st h e s t r u c t u r e so fo c e a np l a t f o r md e s t r o y e d ，a n a l y s et h er e l a t i o nb e t w e e nf a i l u r es t r a i n a n dt h ec r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g ya n dt h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c ei t t h e c r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g yi st h ek e yi nt h et h e s i sw h i c hi si m p a c t e db yf a i l u r e s t r a i nw h e nt h er a t i ob e t w e e nt h i c k n e s so fac o m p o n e n ta n df e am e s hs i z ei sn o t m o r et h a n0 2 f a i l u r es t r a i ni sr e l a t e d 、航t l ia ni n d i v i d u a le l e m e n tl e n g t hd u r i n g m o d e l i n g d i f f e r e n tf e a m e s hs i z eh a db e e nu s e da n df o re v e r ys i z et h e r ew e r e d i f f e r e n ts i m u l a t i o no ft h ed r o p p e dp o s i t i o nt h a ti sd e c kp l a t e ，l o n g i t u d i n a l ， t r a n s v e r s e ，t of i n dt h er e l a t i o nb e t w e e nf a i l u r es t r a i na n dt h ec r i t i c a ld e f o r m a t i o n e n e r g ya c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e df o r m u l a t h ec r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g y , t h e s i z eo ff i n i t ee l e m e n ta n df a i l u r es t r a i no fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sw a sf o u n dt h r o u g h d e b u g g i n gt h er e l a t i o nb e t w e e ng e o m e t r ya n dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r s ，a n dm a k e t h ec r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g yi sc o n s t a n t ，a c c o r d i n g l yt h ee x p e r i e n c ef o r m u l a e w h i c hi sd e f m e df o rt h er e l a t i o nb e t w e e nf a i l u r es t r a i na n da ni n d i v i d u a le l e m e n t l e n g t hw e r ea m e n d e d ，o f f e r i n gm o r ee x a c tr e f e r e n c ef o rl a t e rm o d e l i n g i na d d i t i o n , t h ec o e f f i c i e n to ft h ec r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g yt h a tt h eo b j e c t d r o p p e do i ld i f f e r e n tp o s i t i o n sw a sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt og e o m e t r i c a lc h a r a c t e r 哈尔滨下程大学硕士学何论文 a n dt h ep r o b a b i l i t yt h a tt h eo b j e c td r o p p e do nd i f f e r e n tp o s i t i o n s ，a n dt h e nt h e c r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g yo ft h ew h o l ep l a t f o r mw i l lb ek n o w n ，i tw i l lp r o v i d e d a t aa n dr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no ft h ed e c k ss t r u c t u r eo fo c e a np l a t f o r mi n f u t u r e ，w h i c hc o n s i d e r i n gt h ee x t r e m el o a df r o md r o p p e do b j e c t k e yw o r d s ：d r o p p e do b j e c t ；a n s y s l s - d y n a ；f a i l u r es t r a i n ； c r i t i c a ld e f o r m a t i o ne n e r g y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。盆 作者( 签字) ：商、嫩 日期：侧年多月y 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 函在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：蔷渤 导师( 签字) ： 弓设京易 日期：诵年月尹日侧年月l i l 日 7 鉴尘鎏苫垒奎差筌圭兰丝尘圣 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 海洋平台结构作为海洋工程结构物的主要形式，与陆上结构相比较其结 构更加复杂、体积庞大、造价昂贵，特别是它所处的海洋环境十分复杂和恶 劣。在此恶劣的环境条件下，环境腐蚀、海洋生物附着、材料老化、构件缺 陷、机械损伤、地基土冲刷和基础动力软化，以及疲劳和裂纹扩展的损伤积 累等不利因素，都会导致海洋平台结构构件和整体抗力的衰减。同时由于多 种因素引起的意外突发事故的发生，常使平台结构构件发生整体变形和局部 凹陷，甚至是造成穿透破坏，从而使平台的承载能力降低，影响平台的安全， 极大的减弱整个平台的结构强度。历史上曾有多次海洋平台的事故，造成了 重大的经济损失和不良的社会影响。表1l 是世界离岸事故数据库( w o a d ) 、 太阳安全系统( s s s ) 等统计机构对i 9 8 0 1 9 9 8 年移动式平台事故的统计。 表11 移动式平台年均事故次数统计 移动式钻井单元移动式生产单元 所有数所有数 时期来源w o a ds s sw o a ds s s 据库据库 1 9 8 0 1 9 8 900 8 709 9 1 1 0 5 30325 1 926 9 1 9 9 0 1 9 9 80 1 1 323 2 32 4 2 500 9 61 9 6 82 0 0 7 1 9 8 0 一1 9 9 8 0 116 8 51 7 6 50 1 5 92 1 42 2 1 9 瞒飚j 盔、。锎”一基是皇算3 。_ _ 蚕；篷兰：1 2 年侦爱试胡 群f 自枷1 年蜥 i 螂年自拇洋 台槿型 起火- 日爆炸津辑自惧畏 a i d m d 盱lk e t t n d 海洋平台慎b 精后 图1 1 部分海洋平台事故 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 吊装作业在海洋平台上是十分常见的一种作业形式，而物体坠落事故又 往往在吊装作业过程中发生，因此物体坠落的事故在海洋平台作业当中也是 十分常见的，例如，在海洋平台的吊装作业当中，每个平台作业年有五分之 一的事件是钢管在吊装当中发生坠落。其它的设备例如集装箱，水箱，绞车， 钻头，以及发动机等，也都很有可能在吊装作业过程当中发生坠落。在海洋 工程当中与吊机作业有关系的物体可以在吊机所能活动范围之内的任何地方 发生坠落。作为一种意外载荷，物体坠落对于海洋平台结构以及人员的安全 都会造成非常大的影响。 删胞畦# t 口 图1 2 典型的海洋平台楼梯坠落场景 坠落物体冲击海洋平台一般都是在很短的时间内在很大的冲击载荷作用 下的一种复杂动态响应过程，它有非常明显的非线性动力特性。坠落物体总 的来说以一定的速度( 由重物的坠落高度决定) 冲击甲板，而且响应总是在局 部，在冲击区域的破坏有材料的屈服，局部屈曲还有在某些情况下的局部失效 ( 穿透) 。从裹12 中可以看，在众多海洋平台破坏形式当中，物体坠落事故在 数量上居于首位，占总事故数的3 48 ，可以说，海洋平台上的物体坠落已 经对海洋平台结构及人员安全带来很大威胁，因此海洋平台物体坠落值得 海洋平台设计者和工程师关注。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 2 英国大陆架移动式平台事故统计( 来源s s s ) 移动钻井移动生产 事故种类居住单元钻井船总数 装置装置 锚失效1 7 4 8 2 462 1 2 井喷1 311 4 倾覆 1l 碰撞 5 5 接触 1 4 74841 6 3 克林吊 9 0 47 83 02 4 1 0 3 6 爆炸 1 84122 5 坠落物体 1 0 2 78 14 5 3 01 1 8 3 火灾 1 1 92 01 0l o1 5 9 沉没 11 触礁 11 直升机6131 1 1 进水2 0 2 0 倾斜 1 01 0 机械 11 位置偏离 1 8 11 023 1 泄漏 释放 1 8 1 3 715 32 7 2 结构4 9 1746 1 拖曳 拖绳 1 3l1 4 油井问题 1 4 1 11 4 2 其它 2 8 4 l 74 0 根据壳牌英国勘探与生产公司的五艘混凝土平台物体坠落事故的报告， 英国c h e v r o n 石油公司及北海m o b i l 公司的物体坠落事故报告，w i m p e y l a b o r a t o r i e s 将物体坠落事故的相关参数总结为表格( 表1 3 ) ，以备进一步 研究。表中最重坠落物体约5 0 吨，表中没有体现坠落高度，因为坠落高度主 要参照平台上层建筑以及起重设备尺度选取。表1 3 亦作为本文物体坠落事 故中物体模型选取的依据【2 】。 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 表1 3 部分海洋平台物体坠落事故的统计 物体尺度( m m )重量( t ) 管状物体外径壁厚长度 钻铤2 8 01 0 29 4 5 0 4 5 0 钻铤2 0 06 69 4 5 02 1 2 脚手架杆4 84 56 4 0 03 1 o 钢筋2 51 2 0 0 04 6 0 排水井 9 1 52 23 7 0 0 01 8 9 立管 9 1 53 21 5 0 0 01 0 4 套管 1 4 59 51 3 1 0 0 0 4 2 套管 5 1 01 6 1 3 1 0 02 5 9 套管7 6 09 5 1 3 1 0 02 3 2 箱状物体 1 7 0 0 匹油井泥泵约5 0 0 0 x 3 0 0 0 15 0 0 3 1 0 防喷器约1 8 0 0 x 1 8 0 0 x 1 8 0 0 2 0 6 橇装发电机 5 2 5 0 2 9 5 0 1 9 1 01 0 0 1 2 相关规范及研究现状 关于海洋平台上的物体坠落问题，国内外的研究比较少，尤其是在国内 几乎没有系统的研究资料可查。本节将通过引用国外的相关设计规范和研究， 对海洋平台的物体坠落的研究现状做了简单总结。 1 2 1 海洋工程规范中相关内容 根据挪威船级社对物体坠落的相关规范，物体坠落的关键区域由潜在的 坠落物体运动轨迹来决定。对于可能发生物体坠落的位置，建立冲击能量方 程，并对已估定的冲击能量计算结构响应。坠落物体的估算应考虑以下两种 情况：1 ) 估算坠落冲击对不同结构部位的影响，并以此为依据设计局部结构 加强和防护。2 ) 估算冲击载荷对外部的船壳及附体的影响，以满足这些结构 保证水密舱、破舱稳性、细状结构余量的需要【3 】。 根据美国石油组织( a p i ) 相关规范，某些特定区域更容易受坠落或摆 动物体的影响，比如克林吊工作的区域。遵循安全操作规章可以减少坠落事 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 故发生的几率，例如a p ir e c o m m e n d e dp r a c t i c e2 d ，r e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o r o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo f o f f s h o r ec r a n e s 。充分考虑设备和关键平台区域 的布置和防护可以使破坏降到最小。操作规程应该限制人员暴露在高空材料 运送之下。平台应该在坠落物体的初始碰撞下生存，并且满足为了船体碰撞 而规定的后碰撞标准 4 1 。 1 2 2 相关研究 纵观国外关于平台上物体坠落的研究，主要有实验、软件仿真、解析计 算三种方法。主要着眼点包括能量吸收，坠落物体质量、材料、形状对破坏 的影响，风险评估，优化设计等方面。研究对象也不仅是平台加筋板结构， 还包括同样可以受到坠落冲击的水下管道结构。下面列出关于海洋平台上物 体坠落的研究。 w e i m mc h e n 基于非线性动力平衡方程和刚性简化的塑性材料获得了一 块板在受坠落物体冲击并且发生大变形时的一个能量守恒方程。通过求解， 作者获得了一个板在受坠落物体冲击发生永久变形时的一个双边界解( 上部 和下部) 。所提出的模型应用在了一个方型的平板上，这个平板在中心处受 到一个垂直于平板的平头圆柱的落物冲击。结果发现，如果定义一个合适的 变形方程，求解结果可以很好的满足实验的结果。 s t i f f j o h n ( n o b l e ，d e n t o na n da s s o c i a t e si n c ) 禾l j 用数学和物理模型来确定 坠落物体在3 0 0 0 到6 0 0 0 英尺水深下的可能的运动轨迹。他利用物理模型来 测定由数学模型所确定的轨迹和接触点。在这个过程当中测定了所要利用的 一些重要的参数，进而得出了结论，大型物体的坠落不会像柱型物体那样到 达水很深的地方，而且在给定的条件下，可以通过分析水下的设备来最小化 坠落物体的影响。 w e n g e r ，a r n e 等人研究了s t a t f j o r d 油田的管架和井口区域防护偶然坠落 物体的设计。他们特别处理了平台的b 和c 甲板，并做了三个系列的全尺度 测试，用9 个半英寸钻铤分别从8 米至4 2 米的高度，坠落至厚度为1 2 毫米 哈尔滨工程大学硕士学位论文 至4 7 毫米的钢板。管架区域和井口周围区域采用了加筋的连续焊缝的板，每 个井1 2 上使用简单支持的舱口盖。根据实验结果，提出了一种决定钢制甲板 必需板厚设计方法。 挪威s i n t e f 公司材料与化学部门对海洋平台上的物体坠落问题进行了 分析，将被坠落物体冲击的平台所吸收的能量为分两部分，一部分是结构总 体变形，主要是弹性变形所吸收的能量；另一部分是局部塑性变形所吸收的 能量。作者采用l s d y n a 软件做了o s e b e r g 平台上集装箱坠落的模拟，并 验证了o s e b e r g 平台的坠落物体防护( d r o p p e do b j e c tp r o t e c t i o n ) 。作者对 管的坠落落进行了模拟，由于局部变形严重，采用了二次模拟的方法，细化 网格进行计算一i 。 图13s 1 n t e f 公司利用l s d y n a 模拟的物体坠落 麻省理工学院的d eo l i v e i r a 和j o a og 考虑了在刚性固定的粱和矩形薄板 上的质量块坠落的影响。比较了不同的近似方法，并提出了简化的设计方程。 方程中给出，冲击造成的最大永久变形是坠落质量块几何形状、材料属性和 初始动能的函数。他们的研究结果对于评估受冲击载荷时的结构单元的响应 是十分重要的，因此会在设计阶段受到关注p i 。 l u o ，y 和d a v i s ，j 的研究了海洋平台工作时坠落物体豹瞬时运动，及其 对水下结构潜在的破坏。通过解时域中运动微分方程，作者提出了预测物体 坠落运动的解析方法。通过例子进行的参数研究，确定了对坠落运动有重大 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 影响的关键参量。基于仿真的结果，绘出海底的风险等值线，进一步对风险 进行了统计性研究。最后，讨论了将物体坠落研究实践应用于风险评估、风 险预防及油田规划设计i s 。 a i o b a i d ，y f 提出基于经验方程的求解钢制结构上穿透和变形的过程。 作者用f o r t r a n 7 7 编写了相应的计算机程序，可以输入不同的材料属性和 坠落高度来求解经验方程，得到的结果与有限元程序o b a i d 的结果进行对 比。作者还为研究者提供了流程图和部分程序代码以及计算结果1 9 。 j e n s e n 等人针对海洋平台上的物体坠落问题，做了一系列冲击试验，测 试了轻质聚合混凝土板受到的冲击。研究了局部破坏与穿透，冲击时间与冲 击力，以及它们与坠落物体的材料性能、质量、速度和几何形状的关系。基 于试验结果，他们证明了一种简化分析模型【l o 】。 挪威理工学院的s o r e i d e 等人对管状物体的冲击进行了研究。通过引入的 船- 平台碰撞的一般碰撞力学与解析方法，估计了横撑单元的吸收能量能力。 还讨论了在椭圆变形和局部断裂情况下，简单管单元承载能力的下降，并建 立了数值模型。另外，他们做了1 0 2 0 米秒冲击速度的动力学试验，来研 究冲击速度对结构吸收能量能力的影响，。 挪威t r o n d h e i m 大学的l a n g s e t h , m 对合金a a 5 0 8 3 h 1 1 2 和 a a 6 0 8 2 t 6 材料的均匀铝板受钻铤坠落冲击进行了实验研究，并将结果与 s t 5 2 3 n 号钢板进行对比。作者发现合金a a 5 0 8 3 h 11 2 比a a 6 0 8 2 t 6 可以 更有效地防止冲击破坏，并且在相同坠落高度的情况下，使用铝比钢节省3 5 的重量。为了增加对于低速的大型重物冲击钢板和铝板后板的响应的了解， l a n g s e t h 和l a r s e n 分别在1 9 9 0 ，1 9 9 3 ，1 9 9 4 年做了模型的测定实验。刚性 的冲击物以一定的速度撞击铝板和钢板，以研究这些物体的抗冲击能力并确 定设计建议。基本的变量是板的厚度，相应的冲击物体的厚度和支撑条件 1 2 1 。 为了扩大l a n g s e t h 和l a r s e n 所提出的设计建议当中的参数范围，并且对 于坠落物体冲击板的影响有一个更好的了解，是需要用数值分析方法来进行 研究的。然而在用数值方法对坠落物体进行分析之前，它的可靠性是需要进 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 行验证的。因此h o n o l u l u 利用有限元程序l s d y n a 对坠落物体冲击铝板和 钢板进行仿真并且与实验结果进行对比，通过研究h o n o l u l u 发现有限元模拟 在利用准静态材料和板元时，分析s t 5 2 3 n 钢板时可以得到满意的结果。然 而对于铝合金板a a 5 0 8 3 h 11 2 和a a 6 0 8 2 t 6 来说，有限元分析和实验结果 有一些较大的差别，因此在得出一个总的结论和建议之前，还需要进一步进 行研究。 挪威科技大学的m o a n ，t o r g e i r 等人介绍了一种评估张力腿平台受冲击 载荷时的损坏风险的方法。其中，他们估计了船舶碰撞和物体坠落的可能性， 用几率方法估计了相关的冲击破坏，进水和拉索失效。综合这些估计结果， 得到了破坏的可能性。适当的立柱和浮筒的结构设计可以控制破坏的风险。 在已定分舱的情况下，为一艘北海张力腿平台船体设计平面或曲面舱壁抵抗 冲击载荷，使船舶碰撞和物体坠落的风险达到可接受的风险水平【”】。 k a t t e l a n d 等人认为，虽然北海所有海洋平台装置物体坠落的风险都已经 评估，但是在大水深平台开发中的物体坠落经验十分有限。因此他们主要研 究了在大水深情况下的物体坠落风险，并得出几类坠落物体造成的不同的坠 落载荷分布，还考虑了风、浪、流的影响，提出了风险计算模型，并给出一 个例子进行说日月【】。 w i m p e y 实验室和i c b r o w n 等人完成的坠落物体在混凝土平台上的冲 击损坏研究分为三部分。第一部分，作者给出了平台和坠落物体的实例，以 及坠落物体速度的计算方法，还用有限元方法计算了块状物体坠落破坏，并 指出弯曲破坏是最可能是失效模式。第二部分描述了针对物体形状等因素对 坠落破坏的影响进行的试验，并通过回顾若干可能的估算冲击破坏方法，指 出模型试验和适合的经验公式是比较准确的方法。但该方法不满足痂斑极限， 因此作者提出新的痂斑的经验公式。此外，作者还列出了最优的预测破坏的 经验公式，并以两个典型平台为例进行了估算。第三部分，作者为今后的研 究提出建议。 平台附近的管道在设计时已经考虑了中小尺寸的坠落物体冲击，因为在 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 大部分坠落情况下不会破坏。英国b r o w n & r o o t 工程公司的y a s s e r is 认为 有必要给出一个更清楚的在经济性和风险控制之间的平衡的计算过程。 y a s s e r is 描述了一个管道的坠落物体的风险决策分析。为了解释这个过程， 考虑了典型北海平台的管道，得出一些设计方面的结论。此外，他还说明了 针对管道防护的设计要求】。 1 3 本文研究的主要内容 通过回顾国内外对于海洋平台受坠落物体冲击影响的研究历史与现状， 我们可以发现，几乎很少有对坠落物体在穿透甲板结构时的临界状态即甲板 结构此时所吸收的临界变形能的研究。而几乎所有的坠落物体的仿真分析都 回避了一个重要事实，即有限元模型的尺寸划分与材料的力学特性对穿透时 失效应变的影响以及由此导致的结构临界变形能计算的可靠性，亦即结构抵 抗坠落物体能力计算的可靠性。 本文利用大型有限元软件a n s y s l s d y n a 建立模型模拟海洋平台上 的物体坠落冲击平台甲板的动态过程。本文研究的着眼点是计算结构破损时 的塑性变形能，即临界变形能，这既可包括整体结构的临界变形能，也可包 括各部分结构的临界变形能。实践经验与计算表明，结构的临界变形能与材 料的失效应变( 破损应变) 有密切关系。然而经过模拟发现，已有的关于单 元长度与材料失效应变关系的经验公式，并不完全适用。因此，本文力求通 过大量的参数计算，根据所得数据，将单元长度与失效应变的经验公式进行 修改和完善。这将对今后使用a n s y s l s d y n a 模拟模型起到非常重要的参 考作用。另外，基于甲板结构的几何特征，物体坠落到甲板不同部位其可能 性是不同的。本文中的平台甲板共包括三个结构部分：甲板板、纵骨( l 型 材) 以及横梁( t 型材) ，将通过计算，算出物体坠落在不同部位的可能性， 并以加权系数的形势考虑到根据完善后的经验公式，通过软件模拟得到的各 部分的临界变形能中去。有了这些数据，既可以得到整个甲板的平均临界变 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 形能，亦能得到各结构部分对整个变形能的贡献。对于工程实际中的物体坠 落问题，可以对照本文提供模型的各个参数，对于甲板的承受能力有一个初 步的估计，从而将破坏程度降至最低。 本文的主要内容分为： 第l 章：回顾了坠落物体冲击海洋平台的机理以及国内外对于海洋平台 受坠落物体冲击影响的研究发展情况。 第2 章：本章对于坠落物体冲击海洋平台的所涉及到的相关理论进行介 绍，以及l s d y n a 的一些基本理论和计算方法。 第3 章：首先对本次计算所用的非线性有限元软件a n s y s l s d y n a 进 行了简要的介绍。然后介绍了进行有限元计算的模型，同时对计算模型的建 模过程进行了详细介绍。 第4 章：这是全文的重点。通过对模型输入数据，进行参数计算，并对 经验公式进行修改。并得到特定条件下甲板的临界变形能。本章的内容可以 为今后使用a n s y s l s d y n a 建立模型时单元长度的设定提供参考。 第5 章：计算得到整个甲板的平均临界变形能，以及考虑到结构几何因 素而得到的各结构部分对于整个临界变形能的贡献。本章得到的计算数据可 以为工程实际中对平台甲板承受能力的初步估计提供有利的参考。 1 0 哈尔滨 二程大学硕七学位论文 ji ii i i 宣i i i i 皇i 暑i 宣宣宣i i ；j 暑i ；i 宣；i 萱i i i 毒i 葺i 宣薯 第2 章相关基本理论及计算方法 2 1 海洋工程结构失效分析 随着高速计算机系统和有效的非线性有限元方法的发展，船舶与海洋工 程意外情况下的结构性能研究越来越多，比如船一船碰撞，船舶搁浅，海洋 平台失火与爆炸。然而，即使有了先进的计算机系统及其软件的帮助，这种 分析还是非常复杂。为了实现快速估算和设计，很多学者致力于建立简化模 型，例如理想结构单元法和屈服线法。 破坏形式的定义与载荷超过极限强度或超过结构系统某一个构件的极限 强度有关。然而，考虑到结构对极限载荷的响应，极限载荷的重要性相对于 构件吸收能量的能力居于第二位。下面给出了受力与变形关系曲线，曲线下 面的阴影区域表示构件吸收能量的能力。值得注意的是，虽然是在同一破坏 过程内，但极限强度之前和极限强度之后的曲线形状是完全不同的。其中竖 线左端的区域表示临界变形能【1 6 1 。 d e t b i m a t i o n 形变 图2 1 受力与变形关系曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 碰撞问题研究 海洋平台上物体坠落在甲板上的问题在本质上是弹塑性物体对船舶与海 洋工程加筋板结构的碰撞，属于碰撞动力学问题。介于在多数情况下，坠落 物体的刚度比甲板结构的刚度大得多，所以常将此问题简化为坠落物体为刚 体。这样的简化使得计算结果偏于安全。对不同类型的碰撞，由于结构的响 应不同，在分析的方法上也有差别。主要是分析内部机理方面有不同的方法。 例如，用屈服一破坏形式研究较小的碰撞，而用侵入一破坏形式研究较大的 碰撞。研究船舶与海洋工程碰撞的主要目的是减少碰撞引起的损坏，使结构 有适当的抵抗力或使得碰撞时产生较小的碰撞力。研究碰撞也是为了建立一 种分析碰撞过程的手段，以了解和评判已发生的碰撞情况或预报可能发生的 碰撞所造成的结果，为设计规范和安全规范提供切合实际的工程依据。 例如船舶或海洋平台发生碰撞时，速度发生突然改变，而船舶的结构也 发生变形。较弱的结构将发生挠曲、变形、压坏、穿透或撕裂。从能量转换 的观点，在碰撞时发生动能的消失，部分失去的动能消耗于船舶的运动和碰 撞冲击时周围水的运动，部分由结构的弹性和塑性变形或结构撕裂所吸收。 碰撞时结构的响应，通常归为碰撞问题的内部机理。它包括了结构能量吸收 能力和碰撞冲击抗力的计算。因为要处理结构的弹塑性变形、结构的破裂， 以及迅速改变的边界条件等，所以问题在材料与几何方面都是非线性的。 碰撞时结构承受大位移、大应变、屈服和破裂，但就目前的研究水平来 说，对弹塑性材料的多维本构方程的形式，甚至对静态问题也是不太清楚的。 还有另外一些不确定的问题，如塑性屈服结构上切力的传递。弹塑性问题的 收敛性，结构的动荷疲劳等。因此不可能得到实际船舶碰撞问题精确解，而 在研究中引进各种简化，求得相对理想情况的数值解。 对内部碰撞机理，即碰撞时船舶结构响应的分析，一般对于强碰撞多采 用m i n o r s k y 或改进的m i n o r s k y 方法估算结构损坏，也有用简化的非线性有 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 h i nn i j_m 暑；皇暑暑萱暑萱宣暑宣葺 限元方法决定被撞船侧的刚度特性。在船舶和平台结构碰撞的分析中，平台 结构通过引进塑性铰的概念，用简化的塑性模型有限元分析平台结构。进一 步用塑性结点法将大变形、塑性和梁柱单元的应变硬化计入弹性大位移分析 中，得到局部有凹陷的管构件和三维梁、柱单元的非线性力与位移关系，较 精确和有效地进行碰撞分析。 对外部碰撞机理的动载分析通过建立运动方程得到瞬态力平衡关系，并 得到碰撞力和能量的变化过程。在碰撞瞬间，船舶和周围水的运动的预报归 属于外部机理问题，其吸收碰撞能的作用对于物体坠落问题没有实质意义， 故不在本课题研究范围之内。 2 3 物体坠落问题的分析方法 非线性有限元方法能够给出准确的碰撞仿真结果，但其建模时间长、计 算代价高，有时近似的简单解析公式可以帮助工程师迅速作出判断。碰撞问题 是一个高阶非线性过程，碰撞的方式和破坏的模式多种多样，很难给出一个 精确的解析方法，在合理假定的基础上推导简化的近似计算方法是可行的。 通过对解析方法的研究也可以加深对事物物理本质的认识。 典型的海洋平台甲板是由均布且相同的纵向骨架组成，这样可以利用每 根纵骨( 横梁) 在撞击载荷下的能量吸收进行叠加，从而得到甲板结构总的 能量吸收。 考虑碰撞中有可能出现的各种撞击位置，当坠落点位于某根骨材跨中或 位于两根梁中间板区域中心时，对于甲板来说为最危险的情况，此时甲板最 容易损伤。 船舶碰撞现象的有限元计算和实验研究表明，碰撞损伤都局限于直接碰 撞点周围，因此可设贯入处的半径即为损伤范围半径r ，则r 与贯入深度w 之间的关系可表示为： 形= 么只2 ( 2 1 ) 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用均布载荷来模拟球碰撞过程中撞击区内甲板所受碰撞力的分布。这 样，就回到了单根轴对称梁受均布载荷作用的情况。假定受撞区域均布载荷 密度为q ，则变形能 吃1 e = 2l 妇w ( x ) 出 ( 2 - 2 ) ，、 、 6 二 以上分析完全在静力学范畴内进行，而实际碰撞是一个动力学过程。同 时研究表明，结构材料在动态变形时，材料屈服应力随应变率提高，因而提高 了结构变形能。对于船用钢材，考虑动态应变率，可以导致破坏能量较静态 计算提高约1 2 倍。引入该系数，可以将静力学公式计算动力碰撞能，即 e = 】2 e 。 2 4l s d y n a 的理论基础 实际工程中，经常会遇到几何大变形问题，例如板壳结构的大挠度、屈 曲和后屈曲问题等。有时尽管应变很小，但是位移较大，例如鸟撞飞机风挡 问题中，风挡的变形往往超过风挡玻璃厚度的数倍以上。这时就需要使用大 变形条件下的应力与应变度量。 2 4 1 大变形基本理论 考察某个物体的运动。取物体在t = 0 时刻所占据的空间区域( 初始构形) 为参考构形，t = t 时刻物体占据的空间为现时构形，物体中的质点矢径在初始 构形中可以表示为 x _ _ x m e tb 1 ，2 ，3( 2 3 ) 式中： q 直角坐标系的基矢量 五参考构形中质点矢径x 的分量 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 显然x 不随时间t 变化。石。称为物质坐标或l a g r a n g e 坐标。该质点随时 问运动的位置用x 表示： x = 薯q 式中：x i 一一 空间坐标或e u l e r 坐标 ( 2 - 4 ) 描述物体运动和变形的方法有两类：一类取物质坐标x ，和时间t 作为独 立坐标，即借助于运动着的质点来考察物体的运动和变形，称之为物质描述 或l a g r a n g e 描述，运动方程可表示为 五= t ( x ，r ) ，f ，= 1 ，2 ，3 ( 2 - 5 ) 另一类取空间坐标x ，和时间t 作为独立坐标，称为空间描述n e u l e r 描述。 固体力学主要采用l a g r a n g e 物质描述体系进行研究。 式( 2 5 ) 也表明了一个从初始构形到现时构形矿上的单值连续映射， 有 j = = e 驰面o x , 瓦瓦o x k 。 ( 2 - 6 ) 式中：哆么，变形梯度，是非对称二阶张量 ，j a c o b i n 行列式 考察初始构形中结构微六面体d 圪的变化，可知 ：d _ _ k v ：鱼 d v op ( 2 7 ) 式中：p 。、p 分别代表初始构形与现时构形中的介质密度 当介质不可压缩时，j = 1 。 熟一堕鸭一丑吗堕堕 哈尔滨丁程大学硕七学1 1 f ) ：论文 2 4 1 1 应力与应变 由于物体大变形运动可参考不同的构形来定义，因此关于应变与应力的 描述亦随之不同。小变形情况下经常应用的应力与应变勺一般称之为柯西 ( c a u c h y ) 应力与柯西( c a u c h y ) 应变。有如下几种情况： ( 1 ) 变形率 考察质点p ，在t 时刻的坐标为x ，瞬时速度为1 ，( x j ，f ) 。与p 点相邻的 质点p 的坐标为x j + 吼，相对于p 点的相对速度为 以= 豢吃 ( 2 - 8 ) a x ： 式中： 当 速度梯度张量 叭 将其分解成对称部分与反对称部分之和： 考= 三2 ( 毒一盟o x , ) + 1 2 ( 善+ 静 ( 2 - 9 ) 苏，、苏， 7 、缸i缸；7 。 式中： b ：当+ 挈 变形率张量 。 o x ，观 旷瓦o v , 去一旋率张量 ( 2 ) 格林( g r e e n ) 应变 格林应变定义为 毛= 丢c 簧每一岛，= 丢爱+ 鸶+ 簧鼍， c 2 邶， 哈尔滨下程大学硕士学位论文 式中：玩，k r o n e c h e r 符号 u ，= t ( x ，f ) 一x ， 初始构形中定义的位移矢量 大变形数值计算中经常应用应变增量，因此关于式( 2 1 0 ) 对时间t 求导， 可以得至u j o r e e n 应变的物质导数( 全导数) 为 鲁= 岛= 三2 鱼o x , 堕t g x jf 盟& l + 挈= 1 2 盟0 x ，堕o x i 巩 ( 2 - 1 1 ) 有 ( 3 ) 欧拉( e u l e r ) 应力 在现时构形上有向面元聆，鲋上作用的力元正除以削，在极致状态下， 弘l i m 告= 面d r , z m - - + o厶“u ( 2 - 1 2 ) 面元甩，幽上的应力矢量f j ”m - 个垂直于坐标轴的面元上的应力矢量表 示，有r j = o q f 。o u 即为e u l e r 应力张量，为定义在现时构形上每单位面 积上的应力，是与变形相关的真实应力。 ( 4 ) 第一类p i o l a - k i r c h h o f f 应力( l a g r a n g e 应力) 定义 q i m 盖= 面d r , a & - o蛐蚴o 式中： 娼初始构形上的物质面元 d r , 现时构形，z ，以上的力矢量 ( 2 一1 3 ) 将，? 用显示构形上的坐标表示，有f y ；叮q 。 ，即为第一类 1 7 哈尔滨1 二稃大学硕七学位论文 p i o l a - k i r c h h o 魄力。由定义可推知 耻学 ( 5 ) 第二类p i o l a - k i r c h h o 圈直力( k i r c h h o f j f ：| 立力) 定义 ( 2 - 1 4 ) p = 蜘等= 筹 p 均 式中：d t , 。：警码一现时构形刀，刎上的力矢量码转换到初始 o ： 。 7 构形中的力矢量 因此定义第二类p i o l a - k i r c h h o f f 应力为 ：学蔚：t 7 r 善箩 ( 2 - 1 6 ) 观 o x , o x i 。 ( 6 ) j a u m a n n 应力率 应力率增量应为客观量，不随坐标旋转而变化，定义： 成= 6 一o t p j p g j 9 p t p 1 7 ) 啄2 一i 2 归一9 加s 2 【2 为j a u m a n n 应力率，它是不受物体转动影响的客观张量，同时也是l s d y n a 3 d 中采用的应力率。 (