﻿ 半潜式海洋平台受浮冰撞击作用损伤分析
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (1): 57-61 PDF

Damage analysis of a semi-submersible offshore platform bump by floating ice
DONG Ke, LI You-long
School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology(Weihai), Weihai 264209, China
Abstract: Based on von Mises yield criterion of ice material model, nonlinear software ANSYS/ls-dyna is employed to establish the finite element model of a semi-submersible offshore platform by floating ice bump. Platform damage condition are analyzed by the ice and offshore energy consumption situation and the relationship between stress and strain in the platform post collision area in the case of giving initial kinetic energy for ices, drawing a conclusion that the platform deformation is the mian lossy part. Further more, the relationship between the structural deformation and the platform of vibration response is discussed in the process of collision. Finally, studying the collisions under different initial kinetic energy, the rule is obtained In the collision force and the initial kinetic energy: with the increase of kinetic energy, the collision force becomes bigger, but the increase trend is more flat.
Key words: semi-submersible offshore platform     initial kinetic energy     the collision force
0 引 言

 图 1 有限元模型 Fig. 1 The finite element model

1 碰撞仿真分析 1.1 碰撞方程建立

 ${M} \alpha + {C} v + {K } d = F^{\rm{ex}}{\text{。}}$ (1)

 ${M} \alpha =F^{{re}} {\text{。}}$ (2)

1.2 材料模型 1.2.1 冰材料模型

 ${\left( {{\sigma _1} - {\sigma _2}} \right)^2} + {\left( {{\sigma _2} - {\sigma _3}} \right)^2} + {\left( {{\sigma _3} - {\sigma _1}} \right)^2}{\rm{ = 2}}\sigma _{\rm{s}}^2 = 6{K^2}{\text{。}}$ (3)

1.2.2 平台材料模型

 ${\sigma _{\rm{y}}} = \left[ {1 + {{\left( {\frac{{\dot \varepsilon }}{C}} \right)}^{\frac{1}{P}}}} \right]\left( {{\sigma _0} + \beta {E_P}\varepsilon _P^{eff}} \right){\text{。}}$ (4)

1.3 其他设置

2 碰撞分析

2.1 能量分析

 图 2 能量转化时程曲线 Fig. 2 The energy transformation curve

 图 3 耗散能的比值时程曲线 Fig. 3 The energy dissipation ratio curve
2.2 应力应变分析

 图 4 单元位置分布 Fig. 4 The locations of elements

 图 5 单元有效应力时程曲线 Fig. 5 The elements of effective stress curve
2.3 平台振动分析

 图 6 单元有效塑性应变时程曲线 Fig. 6 The effective plastic strain curve

 图 7 平台X方向速度加速度-时间曲线 Fig. 7 The velocity and acceleration curve
2.4 碰撞力分析

G.W.Timco[12]通过不同区域的海冰与海洋结构物撞击实验，给出了平均碰撞力和动能的关系： $F = A{E^{0.532}}$ A的值主要取决于冰的强度和破坏方式，且介于61.7和388之间。图8中，本文的数值模拟过程中平均碰撞力与动能的关系系数A拟合为220.85，属于那个区间，曲线的走向和公式都表明随着初始动能的增加，平均碰撞力增加的趋势都在逐步减缓。

 图 8 平均碰撞力-初始动能曲线 Fig. 8 The averageimpact force- initial kinetic energy curve
3 结 语

1）海洋平台受到浮冰撞击之后，浮冰的动能几乎转化为平台的势能，但是在碰撞初期，浮冰和平台同时产生变形，由于冰表现强硬，随后平台的变形远远超过冰变形，冰消耗的能量逐渐降低。尽管在碰撞过程中，浮冰和平台都消耗了能量，但是平台的变形还是主要耗能部分。

2）平台受到浮冰撞击，立柱的损伤程度不同。在撞击中心和最外侧位置，弹性形变时间很短，可以认为几乎没有，主要是处于塑性变形阶段，所以其损伤程度最严重，尤其是中心区域，而中心偏两侧部位大多数时间都处于弹性形变范围，没有进入到塑性变形阶段。立柱损伤程度由中心区域最严重，最外侧次之，中心偏内侧最轻。这说明极地工作的平台对立柱的中心和外侧区域应重点加强防护。

3）海洋平台与冰碰撞中会产生冰激振动效应。碰撞初期，平台受到强大的外力产生强迫振动，加速度变化剧烈，但是随着变形增加，消耗了大部分能量后趋势趋于平缓，当外力消失后，平台整体振动处于相对平稳的状态。

4）碰撞力和浮冰的初始动能是处于同增同减的关系，但是碰撞力增加量却随着动能的增加逐步减缓。从平均碰撞力来看，数值分析得出的结果和实验结果基本一致。尽管碰撞力随着动能增加而增大，但是失效时间是随机，任何时候都可能发生。

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