深水自升式平台典型结构碰撞仿真模型化技术及碰撞性能研究
海洋资源开发已成必然趋势，而海洋平台已经成为海洋中油气资源开发的基础设施，长时间在海上进行工作，并且工作的环境非常恶劣，不可避免的会遭受到各种碰撞问题，而船舶-海洋平台碰撞所造成的破坏往往是灾难性的。为了减少各个方面带来的损失，确保海洋环境的安全并且增强海洋平台的耐撞性便具有了至关重要的意义。 船舶与海洋平台的碰撞是海洋平台结构在很短时间内在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程。在碰撞过程中还包含很多不确定因素，如撞击初速度、撞击角度、撞击位置。本文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，用以简化建立自升式海洋平台的结构模型，并通过“板-梁”耦合模型分析了其碰撞性能。本文的主要工作如下： （1）总结出船舶与海洋平台碰撞的国内外研究现状和运用的研究方法。 （2）以平台典型的单K和双K节点为研究对象，利用非线性有限元软件Abaqus建立结构模型，验证“板-梁”耦合技术的可靠性。 （3）基于“板-梁”耦合模型化技术建立平台典型单K和双K节点，分别改变撞击初速度、撞击角度、撞击位置进行碰撞仿真，然后从碰撞力、能量吸收、损伤变形三个方面对平台的碰撞性能进行了分析，得到一些结论。关键词: 海洋平台；碰撞；Abaqus；数值仿真目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2国内外的研究现状 2
1.2.1国内研究现状 2
1.2.2国外研究现状 3
1.3船舶与海洋平台碰撞的研究方法 4
1.3.1统计分析方法 4
1.3.2试验研究及调查方法 4
1.3.3基于碰撞力学的数值计算方法 5
1.4本文的主要工作 5
第二章 Abaqus的介绍 6
2.1 Abaqus简介 6
2.2 Abaqus功能模块介绍 7
2.2.1Abaqus/CAE模块 7
2.2.2Abaqus/Standard模块 7
2.2.3Abaqus/Explicit模块 8
2.3本章小结 9
第三章 平台碰撞场景的典型计算工况分析 10
3.1“
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
6
2.1 Abaqus简介 6
2.2 Abaqus功能模块介绍 7
2.2.1Abaqus/CAE模块 7
2.2.2Abaqus/Standard模块 7
2.2.3Abaqus/Explicit模块 8
2.3本章小结 9
第三章 平台碰撞场景的典型计算工况分析 10
3.1“板-梁”耦合模型化技术 10
3.2碰撞有限元模型 10
3.2.1自升式海洋平台简介 10
3.2几何模型 11
3.3有限元模型 12
3.4结果对比分析 13
3.4.1碰撞力 13
3.4.2能量吸收 15
3.4.3损伤变形 16
3.5 本章小结 17
第四章 撞击参数对平台碰撞性能的影响 18
4.1单K节点“板-梁”耦合模型 18
4.1.1初速度不同对平台碰撞性能的影响 18
4.1.2撞击角度不同对平台碰撞性能的影响 21
4.1.3撞击位置不同对平台碰撞性能的影响 24
4.2双K节点“板-梁”耦合模型 27
4.2.1初速度不同对平台碰撞性能的影响 27
4.2.2撞击角度不同对平台碰撞性能的影响 30
4.2.3撞击位置不同对平台碰撞性能的影响 33
4.3 本章小结 36
第五章 总结与展望 37
5.1总结 37
5.2展望 37
致谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1研究背景和意义
随着科学技术以及经济的迅猛发展，世界各个国家对于石油和天然气的需求量也迅速增加。国际能源组织(IEA)在其公布的研究报告中指出[]，在未来的三十年中全球能源行业的投资需求量大约为十六万亿美元，才能够满足同期的能源需求量，而对于油气资源的投资需求量达到大约三万亿美元。而根据IEA之前发布的报告，到2030年，世界的能源需求量将会以每年2%的速度快速增长，其中石油的需求量将增长到1.2亿桶/日，天然气需求量将会在2000年的基础上翻一倍。而在能源领域的投资中，将近四分之三的资金用于勘探和开发。由于陆地上油气资源逐渐减少，已经满足不了人类的需求。因此，人类就将目光投向了占地球表面积约百分之七十且蕴藏着丰富的矿产资源的海洋，而海洋平台现在已经成为海洋中油气资源开发的重要设施。随着海洋石油开采事业的飞速发展，各种海洋平台也随之产生。而海洋平台已经成为海洋中油气资源开发的基础设施，长时间在海上进行工作，并且工作的环境非常恶劣，不可避免的会遭受到各种碰撞问题，例如船舶在海洋中航行或停靠平台装卸货物的过程中，由于操作的失误或者周围环境载荷的影响而导致与海洋平台发生碰撞的事故时有发生，供应船只和平台桩腿的碰撞、上部结构的坠物到平台甲板以及浮冰对平台的撞击等。这些意外的事故会导致海洋平台产生整体性的弯曲或者在其局部区域产生凹陷，从而导致海洋平台整体的承载能力下降，因此会直接影响到海洋平台自身的安全性，甚至引起灾难性的后果，例如在1992年，我国的渤海6号钻井平台因为上部的重物坠落击穿了平台的压载箱，面积多达数平方米[]；而在2002年，WEN13-1号钻井平台在施工时遭到铺管船撞击平台的导管架结构，斜撑部位的局部构件产生严重的变形破坏，此外其周围的横管以及立管结构也因此遭到破坏，从而导致工期延后将近四个多月[]。
自升式平台，是当今国内外海洋工程中应用非常广泛的钻井平台。桩腿可以根据控制进行升降，在工作时平台的桩腿被降到海底，使其在海床上进行固定，同时利用桩腿支撑起整个船壳结构，并使其底部离海面有一定的距离。在拖航时把桩腿收回，使船壳处于漂浮的状态。基于以上特点，自升式平台的安全性是其设计过程中必须要考虑的问题，而碰撞事故是影响平台安全的重要因素之一。
另一方面，由于工作条件的限制，海洋平台在工作期间修理其损伤的部件相对困难，并且修理费用也相对较大，因此需要通过评估整个平台结构的损伤来提出合理可行的修理加固方案。所以通过研究船舶-海洋平台的碰撞进而分析撞击后的损伤，并根据其碰撞性能设计出高质量的结构型式来提高其自身的防撞能力已经是海洋工程领域中的热门研究课题。
1.2国内外的研究现状
1.2.1国内研究现状
海洋平台的在遭到撞击的同时还会与周围的流体发生作用，因而海洋平台的碰撞属于非常典型的流固耦合问题，及海洋平台与周围存在的流场产生相互耦合的现象。结构在遭到碰撞时会产生大的位移，即几何非线性问题，而材料本身在遭到外部撞击时因其本身发生变形会产生所谓的物理非线性问题，除此之外还存在因相互接触而引起的摩擦等问题。
上海交通大学的陈铁云教授[]不仅对海洋平台的碰撞损伤进行了研究，而且还通过模型分析了平台结构的能量吸收状况。
上海交通大学李润培教授[5-7]通过对船舶-海洋平台的碰撞进行研究，运用弹塑性方法分析研究船舶-海洋平台的碰撞问题，此外还将局部凹陷特性、流体动力特性等其它因素对于碰撞产生的影响考虑进去。运用迭代理论以及wilson-θ法对因平台碰撞产生的非线性问题进行了数值仿真分析，除此之外分析了补给船与平台的碰撞引起的动塑性问题。
上海交通大学胡志强教授[8]通过数值仿真法分析了船舶碰撞力与船舶各种航速之间的相互关系。邵炎林[9]则利用船
第一章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2国内外的研究现状 2
1.2.1国内研究现状 2
1.2.2国外研究现状 3
1.3船舶与海洋平台碰撞的研究方法 4
1.3.1统计分析方法 4
1.3.2试验研究及调查方法 4
1.3.3基于碰撞力学的数值计算方法 5
1.4本文的主要工作 5
第二章 Abaqus的介绍 6
2.1 Abaqus简介 6
2.2 Abaqus功能模块介绍 7
2.2.1Abaqus/CAE模块 7
2.2.2Abaqus/Standard模块 7
2.2.3Abaqus/Explicit模块 8
2.3本章小结 9
第三章 平台碰撞场景的典型计算工况分析 10
3.1“
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
6
2.1 Abaqus简介 6
2.2 Abaqus功能模块介绍 7
2.2.1Abaqus/CAE模块 7
2.2.2Abaqus/Standard模块 7
2.2.3Abaqus/Explicit模块 8
2.3本章小结 9
第三章 平台碰撞场景的典型计算工况分析 10
3.1“板-梁”耦合模型化技术 10
3.2碰撞有限元模型 10
3.2.1自升式海洋平台简介 10
3.2几何模型 11
3.3有限元模型 12
3.4结果对比分析 13
3.4.1碰撞力 13
3.4.2能量吸收 15
3.4.3损伤变形 16
3.5 本章小结 17
第四章 撞击参数对平台碰撞性能的影响 18
4.1单K节点“板-梁”耦合模型 18
4.1.1初速度不同对平台碰撞性能的影响 18
4.1.2撞击角度不同对平台碰撞性能的影响 21
4.1.3撞击位置不同对平台碰撞性能的影响 24
4.2双K节点“板-梁”耦合模型 27
4.2.1初速度不同对平台碰撞性能的影响 27
4.2.2撞击角度不同对平台碰撞性能的影响 30
4.2.3撞击位置不同对平台碰撞性能的影响 33
4.3 本章小结 36
第五章 总结与展望 37
5.1总结 37
5.2展望 37
致谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1研究背景和意义
随着科学技术以及经济的迅猛发展，世界各个国家对于石油和天然气的需求量也迅速增加。国际能源组织(IEA)在其公布的研究报告中指出[]，在未来的三十年中全球能源行业的投资需求量大约为十六万亿美元，才能够满足同期的能源需求量，而对于油气资源的投资需求量达到大约三万亿美元。而根据IEA之前发布的报告，到2030年，世界的能源需求量将会以每年2%的速度快速增长，其中石油的需求量将增长到1.2亿桶/日，天然气需求量将会在2000年的基础上翻一倍。而在能源领域的投资中，将近四分之三的资金用于勘探和开发。由于陆地上油气资源逐渐减少，已经满足不了人类的需求。因此，人类就将目光投向了占地球表面积约百分之七十且蕴藏着丰富的矿产资源的海洋，而海洋平台现在已经成为海洋中油气资源开发的重要设施。随着海洋石油开采事业的飞速发展，各种海洋平台也随之产生。而海洋平台已经成为海洋中油气资源开发的基础设施，长时间在海上进行工作，并且工作的环境非常恶劣，不可避免的会遭受到各种碰撞问题，例如船舶在海洋中航行或停靠平台装卸货物的过程中，由于操作的失误或者周围环境载荷的影响而导致与海洋平台发生碰撞的事故时有发生，供应船只和平台桩腿的碰撞、上部结构的坠物到平台甲板以及浮冰对平台的撞击等。这些意外的事故会导致海洋平台产生整体性的弯曲或者在其局部区域产生凹陷，从而导致海洋平台整体的承载能力下降，因此会直接影响到海洋平台自身的安全性，甚至引起灾难性的后果，例如在1992年，我国的渤海6号钻井平台因为上部的重物坠落击穿了平台的压载箱，面积多达数平方米[]；而在2002年，WEN13-1号钻井平台在施工时遭到铺管船撞击平台的导管架结构，斜撑部位的局部构件产生严重的变形破坏，此外其周围的横管以及立管结构也因此遭到破坏，从而导致工期延后将近四个多月[]。
自升式平台，是当今国内外海洋工程中应用非常广泛的钻井平台。桩腿可以根据控制进行升降，在工作时平台的桩腿被降到海底，使其在海床上进行固定，同时利用桩腿支撑起整个船壳结构，并使其底部离海面有一定的距离。在拖航时把桩腿收回，使船壳处于漂浮的状态。基于以上特点，自升式平台的安全性是其设计过程中必须要考虑的问题，而碰撞事故是影响平台安全的重要因素之一。
另一方面，由于工作条件的限制，海洋平台在工作期间修理其损伤的部件相对困难，并且修理费用也相对较大，因此需要通过评估整个平台结构的损伤来提出合理可行的修理加固方案。所以通过研究船舶-海洋平台的碰撞进而分析撞击后的损伤，并根据其碰撞性能设计出高质量的结构型式来提高其自身的防撞能力已经是海洋工程领域中的热门研究课题。
1.2国内外的研究现状
1.2.1国内研究现状
海洋平台的在遭到撞击的同时还会与周围的流体发生作用，因而海洋平台的碰撞属于非常典型的流固耦合问题，及海洋平台与周围存在的流场产生相互耦合的现象。结构在遭到碰撞时会产生大的位移，即几何非线性问题，而材料本身在遭到外部撞击时因其本身发生变形会产生所谓的物理非线性问题，除此之外还存在因相互接触而引起的摩擦等问题。
上海交通大学的陈铁云教授[]不仅对海洋平台的碰撞损伤进行了研究，而且还通过模型分析了平台结构的能量吸收状况。
上海交通大学李润培教授[5-7]通过对船舶-海洋平台的碰撞进行研究，运用弹塑性方法分析研究船舶-海洋平台的碰撞问题，此外还将局部凹陷特性、流体动力特性等其它因素对于碰撞产生的影响考虑进去。运用迭代理论以及wilson-θ法对因平台碰撞产生的非线性问题进行了数值仿真分析，除此之外分析了补给船与平台的碰撞引起的动塑性问题。
上海交通大学胡志强教授[8]通过数值仿真法分析了船舶碰撞力与船舶各种航速之间的相互关系。邵炎林[9]则利用船
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/344.html
