导管架结构的高能碰撞响应评估
Gabriele Notaro Atle Johansen Stine Myhre Selaring;s Terje Nyboslash;
摘要
本文提出了一个评估固定海洋结构与海上服务船（OSV）或其他浮式结构物高能碰撞下的碰撞响应的流程。提出了将用于筛选目的的传统框架非线性分析和更详细的运用显式的非线性有限元分析结合起来的方法。在详细的综合有限元分析中，固定海上结构和冲击船明确建模为变形体。充分考虑两个变形物体的接触和阻力的渐进变化，与分别评估两个物体的阻力的方法相比，能够获得更准确的结果。
本文显示了各中情况下研究的结果。将撞击物体的计算阻力与DNV-RP-C204 [1]和NORSOK N-004 [2]中给出的载荷—凹陷曲线进行比较。
简介
在过去20年中，在北海运行的海上服务船（OSV）的排水量从5000吨增加到7-8000吨。如今的OSV通常设计为球鼻船首或其他现代的形状，有垂直或反向倾斜角的船首。这种设计的碰撞响应偏离了DNV-RP-C204和NORSOK N-004中规定的内容，其中给出了关于设计海上设施以防意外极限状态（ALS）的指导。应对相应于每年超越概率为的设施碰撞事件进行ALS检查。
当前的设计方法假定撞击支架的OSV是刚性的，而现有的设计载荷--凹陷曲线可以用于表示撞击垂直腿构件时OSV的能量吸收。载荷--凹陷曲线是基于撞击OSV为倾斜船首，排水量为5000吨，撞击速度为2米/秒建立的。考虑到附加质量，当建立引导时对于船头/船尾撞击和舷侧撞击要评估的典型设计冲击能量水平分别为11-14MJ。
鉴于当今在海上空间工作的OSV设计的尺寸和类型的趋势，预计在设计新设施和重新评估现有平台要考虑的冲击能量水平需要提高。在挪威大陆架上，最近几年发生过几次冲击能量超过设计水平的碰撞，如Kvitrud [4]所示。这表明目标年概率水平为未得到满足。 DNV-OSS-201中包括了碰撞能量要求（35MJ）的增加[5]。 预计在下一次修订NORSOK N-003 [3]时碰撞能量的要求也会发生变化。
在过去二十年中，作为计算能力提升的结果，使用详细的非线性有限元分析来解决这些类型的问题变得更加有效。在2001年，Amdahl等人[6]使用非线性有限元分析来产生新的设计载荷--凹陷曲线，该曲线代表具有球首的2-3000吨范围内的OSV的分析结果。
较大的设计冲击能量可能意味着需要更频繁地考虑OSV和平台之间的共有能量的详细分析，以避免昂贵的加强措施或设计不良。Storheim等[7]给出了类似的结论。
在本文中，提出了包括详细的非线性有限元分析建立固定海上结构的碰撞响应的程序，并与当前的设计方法进行比较。 固定海上结构和撞击物体都被明确地建模为可变形体。 然后，在考虑接触的渐进变化和当两个物体变形时的阻力渐进变化下评估响应和能量转换。
设计原则和当前方法
船舶碰撞事件的特征在于由OSV的质量（包括流体动力学附加质量）和冲击速度给出的初始动能。可以假设船舶和典型的固定设备的碰撞与平台的特征周期相比具有较长的冲击持续时间，因此惯性力的影响可以忽略[3]。根据碰撞情况，动能的一部分可以在冲击之后保持为动能，而部分作为变形结构的应变能被吸收。可以保守地假定整个初始动能必须作为变形能量被吸收。
冲击能量的耗散和撞击物体与被撞物体之间的变形能量的分配取决于它们的相对强度。 在这方面，碰撞响应的分类在NORSOK N-004中给出：
- 在延展性设计中，设施（导管架）经历大的塑性变形以吸收整个碰撞能量。
- 在强度设计中，设施被设计成抵抗冲击载荷，并且冲击能量完全被撞击物体吸收。
- 在共有能量中，将两个单元设计成变形体有助于能量耗散。
逐步的变形和由于发展机制引起的刚度的变化使得通过简化的方法难以估计变形体之间的变形能量的分配。NORSOK-N004第A.3节[2]中描述的当前船舶撞击设计方法建议使用基于塑性理论或非线性梁分析的手工计算以及变形接受标准。NORSOK建议：
- 考虑载荷--凹陷曲线以表示对腿部冲击的OSV能量吸收（简化的共有能量设计方法）
- 忽略撞击支架时撞击船舶的能量吸收（延性设计）
评估高能量碰撞场景的过程
在两个物体具有相近刚度和发生几种失效机制的情况下，变形会在撞击期间引起两个物体的刚度和接触表面的变化。这通常是高能量碰撞场景的情况，意味着大的变形。在这种情况下，用预定义曲线代表撞击物的响应的目前的设计过程可能不是完全适用的。这正是Notaro等人[10]研究的船首对船侧结构撞击的情况。
这里提出了一种设计过程，其允许计算导管架结构对碰撞事件的响应，考虑到接触的渐进变化以及因此产生的两个变形物体的阻力的渐进变化。其中，利用显式求解器（Abaqus / Explicit）进行非线性有限元分析来分析碰撞响应，用碰撞区域的壳单元和导管架其他区域的梁单元的组合来表示导管架结构。顶部的质量也计算在内，以从作用在导管架结构上的永久载荷获得实际贡献。撞击物被明确地建模为使用壳单元的可变形体。
所提出的过程分为如下所述的四个步骤：
1.使用框架非线性分析的筛选分析
使用框架非线性分析程序根据当前的设计程序来探究碰撞响应，在这里用的是Usfos。Usfos模型针对NORSOK进行校准。可以使用设计载荷--凹陷曲线，或者可以应用为特定撞击物建立的载荷--凹陷曲线。确定关键的碰撞场景还需要进行更多和更详细的研究。
2.在所选的有限元软件中建立一个梁模型
通过框架分析模型的转换，在所选择的有限元软件中建立导管架中的梁模型，在这里使用的是Abaqus / Explicit。梁模型用作在综合分析中使用的壳局部模型的边界条件，并且在导管架结构变形时将实际力馈送到局部模型中。为了验证总体刚度和失效机理是合理的，必须校准模型。在这种情况下，用NORSOK校准的Usfos框架分析用作参考。为了调整每个构件的屈曲强度，通过在每个管状构件上包含10-12个单元来改进梁模型。
3.建模和建立局部壳模型
建立碰撞区域的详细的壳有限元模型并插入到全局梁模型中。首先评估组合壳-梁导管架模型在刚体撞击物碰撞下的响应。在这种情况下，进行了网格细化和拉伸破坏的敏感性研究。如DNV-RP-208 [12]中推荐的，有限元模型需要校准以提供所需的能力。在这种情况下，通过与Usfos结果和手工计算进行比较，对NORSOK进行校准。
4. 进行综合分析
通过进行综合分析，考虑可变形撞击对象来评估碰撞响应。基于共有的能量并考虑变形对象的接触和阻力的渐进变化来评估碰撞力学和相关的能量传递。还应根据设计标准研究碰撞后的阻力。这可以在具有校准损伤的非线性框架分析中完成（本文不包括）。
分析工具
非线性框架分析软件Usfos（版本8-7）用于筛选分析。关于船碰撞分析的相关关键特征是考虑到圆管部分（凹陷）的局部损伤的可能性，涉及能量耗散和横截面削弱，评估撞击船中的能量耗散，根据设计标准能力对管状接头的建模和根据设计标准校准构件屈曲能力的可能性。更多信息可以在用户手册[15]中找到。
计算机程序Abaqus / Explicit（版本6.13-1）用于详细的非线性有限元分析。更多信息可以在Simulia [16]中找到。
方法的应用
非线性有限元分析的基础
考虑撞击对象的速度被控制的准静态方法来进行非线性有限元分析。在系统上外部力做功，并转换为变形能量，变形结构的动能和由摩擦消耗的能量。考虑到摩擦被保守地忽略并且通过控制速度保持变形结构的动能较低，可以得出外部功对应于吸收的变形能。
开发的有限元模型使用S4R单元（减缩积分）网格化，在厚度方向上有五个积分点，默认沙漏控制。应用Abaqus / Explicit的默认接触表达式。
在没有详细的实验数据的情况下，根据DNV-OS-B101 [11]选取所考虑的碰撞单元的钢级的代表性材料属性。导出表1中报告的一些值。使用线性硬化曲线。
表1.撞击物的钢材属性
*平均屈服值**最小屈服值
根据DNV-RP-208对导管架结构的钢性质进行建模。导出厚度超过63mm的值，如图1。
在Usfos中，使用具有线性硬化的材料模型。在NORSOK N-004中给出了硬化参数的推荐值（H = / E，其中是塑性模量）。
图1.对S355假定的力学性能
为了不高估材料能力和能量吸收，拉伸破坏必须包括在内。这是通过金属材料的延性失效实现的，参看Simulia [16]；颈缩开始后（,），超过一定的伸长率（）后材料反应变软，直到单元从有限元模型中损坏。求解器计算等效真实塑性应变（）的极限值作为单元尺寸（）的函数：相比较短的单元，较长的单元较低的塑性应变允许值更小。这限制了网格依赖于失效准则，如图2所示，其中用不同的网格细化估计支架的拉伸破坏。
应当注意，拉伸破坏不是本论文的主要焦点。Touml;rnqvist[8]和Ehlers等[9] 是研究拉伸破坏准则的。
图2.拉伸破坏的例子（支架）
撞击物的碰撞阻力
今天的OSV大多设计有球首或其他现代形状的船首比如垂直或反向倾斜的船首。这些船的排水量通常在7-8000吨的范围内。其他大型浮式单元（例如半潜式酒店）也可能在平台附近运行。根据排水量（M），撞击速度（v）和附加质量（），动能（E）可以如等式1中给出的计算：
(1)
- 对于与速度为3米/秒的8000吨OSV的船首碰撞，产生的动能为40MJ。
- 对于与30000吨半潜式结构物以2m / s速度碰撞，动能为72 MJ。
这种单元的碰撞响应偏离设计标准DNV-RP-C204和NORSOK N-004中给出范围。在这些情况下，可以建立特定的载荷—凹陷曲线，进行详细的有限元分析，考虑与刚性物体（平面或圆柱体）的碰撞，如图3所示。所选结构的详细有限元模型在Abaqus / CAE建立并在Abaqus / Explicit中进行了分析。
图3. 撞击物的碰撞阻力
研究了现代类型的OSV船首（类别为1A1 ICE-C海上服务供应船）的碰撞响应并且与倾斜船首和球首型OSV的强度进行比较。后两种船首的载荷—凹陷曲线在[10]中给出。还估计了浮筒撞击刚性圆柱的阻力。建立的载荷--凹陷曲线在图4中示出并且与在NORSOK中给出的船首设计载荷--凹陷曲线进行比较。载荷--凹陷曲线可用于简化的方法，例如Usfos。
图4.计算载荷--凹陷曲线
计算结果表明，分析的撞击物体明显比船首设计曲线刚度更大。载荷--凹陷曲线显示，球首型OSV的前甲板弱于球首本身，并且其与现有的倾斜船首的设计曲线相当。Storheim等[7]提出了类似的发现。
情况一（与半潜式结构物碰撞）
这个应用说明了传统八腿导管架与大型半潜式浮筒的碰撞的响应计算。建立的有限元模型如图5所示。
图5.导管架模型和局部模型（壳单元）
考虑与代表导管架桩腿的刚性圆柱的碰撞来估计浮筒的阻力，如图3。在Usfos中使用所得的载荷--凹陷曲线（图4所示）用于筛选分析（流程的步骤1）。
Usfos框架模型，包括上部载荷，被转换到Abaqus中。将Abaqus梁模型（在Abaqus/Standard和Explict中分析）的响应与没有连接模型和局部凹陷模型的Usfos分析的结果进行比较，因为Abaqus梁模型中不能容易地包括这些。
导管架结构首先被施加永久载荷，然后引入碰撞载荷。图6表示了第一失效机制，即水平支架的屈曲。结果表示为在碰撞点附近的接头处的水平位移的函数。
图6.梁模型的响应(Usfos a, Abaqus b)
通过监测支架中的轴向力来描述逐步失效机制，如图7所示。失效机制是管状构件的顺序屈曲，并且在所有计算中都同样被捕捉到了。
图8示出了接触力和吸收的变形能。接触力的峰值（约40MN）代表第一失效机制。在三个计算中，总耗散能量实际上相等。
图7.管状构件-梁模型中的轴向力
图8.接触力和能量吸收
图7和图8所示的比较表明，在转换和校准（步骤2）之后，Abaqus梁模型和Usfos模型给出了相同的结果用于构件屈曲和整体能量吸收。
作为该过程的步骤3的一部分，受碰撞的导管架的部分使用壳单元（图5）建模并插入全局梁模型中。所采用的网格大小在2倍板厚至高达4倍板厚的范围内。最初在考虑刚性浮筒的基础上分析响应，并进行了与U
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