船舶與浮式海洋平臺(tái)碰撞的動(dòng)力響應(yīng)研究.pdf

1、當(dāng)今世界上，海洋油氣資源的開發(fā)已經(jīng)具有了非常大的潛能，目前海洋工程領(lǐng)域，已逐步實(shí)現(xiàn)了由近海向遠(yuǎn)海乃至深海的發(fā)展，我國(guó)海洋/深海油氣資源特別豐富，其中的油氣資源儲(chǔ)備量大約是246億噸，占我國(guó)石油、天然氣資源總量的30％左右。在作業(yè)海域上，半潛式海洋平臺(tái)開展鉆井或采油時(shí)，在隨機(jī)復(fù)雜的海洋環(huán)境下，除了受環(huán)境載荷的時(shí)刻作用外，過往的船只、守衛(wèi)船、補(bǔ)給船等各種船舶由于航行操作過失或?？勘还┙o平臺(tái)時(shí)，風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，經(jīng)常不可避免的發(fā)生與

2、平臺(tái)碰撞事故，并可能造成環(huán)境污染、結(jié)構(gòu)損壞、重大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等一些災(zāi)難性后果。特別是在深水和超深水海域，由于海況一般更為惡劣，則碰撞事故更容易發(fā)生。
　　本文為了分析隨機(jī)海洋環(huán)境載荷作用下，船舶與海洋平臺(tái)碰撞的外部動(dòng)力學(xué)問題，利用非線性顯式有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了半潛式平臺(tái)和供給船船尾的三維有限元模型，通過DYNA計(jì)算了船尾以2m/s速度垂直正碰半潛式海洋平臺(tái)立柱的工況，獲得了真實(shí)的碰撞力的時(shí)序結(jié)果。然后

3、在此基礎(chǔ)上結(jié)合外部動(dòng)力學(xué)原理，將真實(shí)的碰撞力導(dǎo)入到水動(dòng)力軟件AQWA中，將半潛式平臺(tái)在碰撞力和風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下進(jìn)行時(shí)域耦合的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算，得到了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果和不同系泊纜的受力情況。綜上，本文將對(duì)船舶與半潛式海洋平臺(tái)的碰撞進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究。
　　本論文主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　(1)進(jìn)行了供給船船尾和半潛式海洋平臺(tái)的模型化研究，其中半潛式海洋平臺(tái)建立整體有限元模型，考慮到其碰撞受損傷位置主要是立柱區(qū)域，對(duì)立柱部分進(jìn)行了

4、詳細(xì)的建模，同時(shí)為了減少模型的計(jì)算機(jī)時(shí)，對(duì)浮筒及上殼體內(nèi)部做了大量的簡(jiǎn)化處理，甲板以及甲板以上的結(jié)構(gòu)用一層加厚的甲板和質(zhì)量塊來代替，對(duì)于這些簡(jiǎn)化部分的重量以及它們的重心位置，可以在結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)部分通過LS-DYNA來控制其密度的方法來調(diào)整。船尾方面則考慮到船尾的剛度相對(duì)海洋平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)大的多，故模型中船尾簡(jiǎn)化為剛性模型，但計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守。最終基于ANSYS軟件建立平臺(tái)和船尾的三維模型并劃分有限元網(wǎng)格，并在此基礎(chǔ)上利用非線性顯式有限元軟件

5、LS-DYNA進(jìn)行碰撞模擬仿真。
　　(2)應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA顯式非線性動(dòng)力商業(yè)軟件，采用Cowper-Symonds本構(gòu)物理模型，用附加水質(zhì)量方法對(duì)一艘5000t的補(bǔ)給船船尾以2m/s速度垂直撞擊半潛式海洋平臺(tái)立柱的例子進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)立柱部分做重點(diǎn)分析，獲得了碰撞力的時(shí)序結(jié)果，部分關(guān)鍵時(shí)刻碰撞的應(yīng)力云圖，將碰撞力曲線不做任何簡(jiǎn)化的加載到水動(dòng)力模型上進(jìn)行水動(dòng)力分析。水動(dòng)力數(shù)值模擬分析主要有：頻域和時(shí)域計(jì)算兩部分。本文

6、既應(yīng)用時(shí)域分析方法，又應(yīng)用頻域分析方法對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物及其系泊系統(tǒng)在碰撞力作用下進(jìn)行水動(dòng)力性能分析研究。
　　(3)頻域分析結(jié)果主要表征海洋結(jié)構(gòu)物在各個(gè)不同頻率下的附加質(zhì)量系數(shù)和輻射阻尼系數(shù)，還可以得到不同浪向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng) RAO、一階、二階波浪力和傳遞函數(shù)等。本文將不作任何簡(jiǎn)化的碰撞力時(shí)程曲線導(dǎo)入到AQWA中，并借助水動(dòng)力軟件AQWA-Line，采用三維勢(shì)流理論，對(duì)被碰撞的半潛式平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到相關(guān)的水動(dòng)力參數(shù)。
　　(

7、4)時(shí)域分析方法主要是研究海洋結(jié)構(gòu)物及其系泊系統(tǒng)在一定海洋環(huán)境條件下其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和每根系泊纜的受力狀況，求證其是否能夠滿足規(guī)范的要求。本文采用AQWA-Drift水動(dòng)力軟件對(duì)該半潛式平臺(tái)進(jìn)行時(shí)域耦合數(shù)值模擬，模擬計(jì)算了在碰撞力和風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況，不同系泊纜的受力情況。
　　(5)由計(jì)算分析結(jié)果可見，由于碰撞位置發(fā)生在平臺(tái)左舷后側(cè)的立柱部位，有碰撞力作用的情況下，橫蕩、橫搖和首搖的變化非常大，說明碰撞力的大小、