鉆鋌墜落對鉆臺甲板的損傷分析

劉 偉， 李清泉

(大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧 大連 116113)

鉆鋌墜落對鉆臺甲板的損傷分析

劉 偉， 李清泉

(大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧 大連 116113)

主要研究鉆鋌墜落對甲板的損傷問題。利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立有限元模型，模擬鉆鋌墜落沖擊鉆臺甲板的動態(tài)過程。通過對非線性有限元求解技術(shù)進(jìn)行分析，研究適合于墜物與鉆臺甲板碰撞分析的數(shù)值仿真方法，對甲板結(jié)構(gòu)的碰撞損傷特性進(jìn)行分析。

鉆鋌墜落；數(shù)值仿真；損傷

0 引 言

在鉆臺作業(yè)過程中，鉆鋌墜落作為一種偶然事故，會對鉆臺甲板造成一定程度的損傷，直接影響鉆臺的鉆井能力。因此，開展鉆鋌與鉆臺的碰撞性能研究，揭示鉆臺甲板在碰撞過程中的損傷變形機(jī)理，對提升平臺的安全性具有重要意義。鉆鋌墜落本質(zhì)上是彈塑性物體對海洋工程板架結(jié)構(gòu)的碰撞，碰撞過程中存在著大量非線性現(xiàn)象，涉及材料力學(xué)、剛體力學(xué)、塑形動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)及損傷力學(xué)等多個學(xué)科。對鉆鋌墜落沖擊甲板問題的研究，表面上看可由跌落沖擊試驗(yàn)完成，但試驗(yàn)方法存在很多不足之處，包括：試驗(yàn)過程需耗費(fèi)大量的人力、物力和財力成本；試驗(yàn)的歷程很短，難以觀察到試驗(yàn)過程中發(fā)生的現(xiàn)象；試驗(yàn)測試條件(如碰撞角度等)難以控制，使得試驗(yàn)的重復(fù)性差；一般只能得到試驗(yàn)的結(jié)果，難以觀察到現(xiàn)象發(fā)生的原因；難以觀察結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特性。與傳統(tǒng)方法相比，利用ANSYS/LS-DYNA對鉆鋌墜落問題進(jìn)行相關(guān)的模擬和仿真可很好地解決上述問題。

1 有限元模型

1.1鉆鋌模型

鉆鋌建模長度為1 000 mm，外徑為241.3 mm，內(nèi)徑為76.2 mm，質(zhì)量為2 800 kg。選用SOLID164單元來模擬。由于主要考慮鉆臺結(jié)構(gòu)的損傷，因此將鉆鋌定義為剛性材料模型。

表1 甲板模型參數(shù)

1.2甲板模型

板架的尺寸為21 280 mm×14 100 mm,板厚為15 mm；縱向加強(qiáng)筋的間距為760 mm；橫向型材的間距為2 350 mm；縱向加強(qiáng)筋為角鋼，規(guī)格為L180×110×13 mm；橫向型材為T型材，規(guī)格為T560×12+300×16 mm。甲板和下部加強(qiáng)筋均采用SHELL163單元來模擬，材料為船用高強(qiáng)度低碳鋼；材料模型采用的是塑性隨動模型(Plastic Kinematic Model，PKM)。甲板模型參數(shù)見表1。

1.3網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行數(shù)值模擬時，對網(wǎng)格進(jìn)行劃分是重要的一步，直接影響后續(xù)計算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小，通常隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高。此外，單元網(wǎng)格的大小對計算精度有非常顯著的影響，因此對于跌落碰撞區(qū)域的網(wǎng)格采用精細(xì)的單元網(wǎng)格50 mm×50 mm,向周邊擴(kuò)大到100 mm×100 mm，而對于遠(yuǎn)離跌落區(qū)域則采用150 mm×150 mm粗網(wǎng)格。對于鉆鋌，采用六面體網(wǎng)格，這樣既能保證計算精度，又可節(jié)省計算時間。圖1為整體網(wǎng)格劃分示意。

1.4創(chuàng)建PART

LS-DYNA規(guī)定，PART是具有相同單元類型的實(shí)常數(shù)與材料號組合的單元集。通常情況下，PART是模型中的特定部分，在被賦予一個PART ID后，可應(yīng)用到一些ANSYS/LS-DYNA命令中。這里采用SHELL163和SOLID164單元類型建立5個PART(見表2)。通過PART能更加方便地定義接觸和加速度。

表2 零部件清單

1.5定義接觸

選用自動節(jié)點(diǎn)-表面接觸方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)碰到目標(biāo)面時，點(diǎn)面接觸發(fā)生，由于其是非對稱的，因此是最快的算法。點(diǎn)面接觸只考慮沖擊目標(biāo)面的節(jié)點(diǎn)，必須指定接觸面與目標(biāo)面的節(jié)點(diǎn)組元或PART號。在使用點(diǎn)面接觸時，應(yīng)注意：平面與凹面為目標(biāo)面，凸面為接觸面；粗網(wǎng)格為目標(biāo)面，細(xì)網(wǎng)格為接觸面。根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)均取0.12。

1.6施加約束

鉆鋌墜落屬于局部撞擊，在遠(yuǎn)離接觸的區(qū)域，邊界條件影響很小。因此，將遠(yuǎn)離墜落沖擊區(qū)域的甲板邊緣擴(kuò)展到強(qiáng)框架支撐處，采取四周簡支的約束條件。

1.7施加載荷

鉆鋌自由落體運(yùn)動僅受重力的影響，加速度為常數(shù)，因此定義一條時間間隔與重力加速度關(guān)系的載荷曲線(見圖2)。

1.8沙漏控制

沙漏模式是一種以遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)的頻率振蕩的零能變形模式。沙漏模式導(dǎo)致一種在數(shù)學(xué)上穩(wěn)定，但在物理上無法實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)。這些狀態(tài)通常沒有剛度，變形呈現(xiàn)鋸齒形網(wǎng)格。沙漏能不能超過模型總體內(nèi)能的10%。沙漏一般出現(xiàn)在采用縮減積分單元的情況下，只影響實(shí)體、四邊形單元及二維單元。沙漏控制方法一般有細(xì)化模型網(wǎng)格、避免在單點(diǎn)上集中加載、使用全積分單元和軟件內(nèi)部控制等4種。對于結(jié)構(gòu)部件，通常基于剛性的沙漏控制比黏性沙漏控制更有效。當(dāng)使用剛性沙漏控制時，習(xí)慣于將沙漏系數(shù)減小到0.03～0.05。

1.9求解控制

求解與求解控制是LS-DYNA分析中的另一個重要步驟，能否正確控制求解過程將直接影響求解的精度和計算時間。求解控制一般包括計算時間控制、輸出文件控制、高級求解控制和輸出.K文件。這里終止計算時間為2 s，時間步長為0.01，殼單元厚度方向積分點(diǎn)輸出數(shù)為5，沙漏控制為5，最后生成相應(yīng)的.K文件。

2 碰撞方案

墜物事件具有很大的隨機(jī)性，存在多種碰撞的可能工況。不同工況下的碰撞參數(shù)截然不同，不同碰撞參數(shù)又會產(chǎn)生不同的損傷結(jié)果，這里僅針對鉆鋌墜落到甲板不同位置的工況進(jìn)行模擬計算，分析不同碰撞參數(shù)對碰撞結(jié)果的影響。結(jié)合在海上進(jìn)行鉆井作業(yè)時連接鉆具組合的實(shí)際工況，鉆鋌從3 m高度處自由墜落，撞擊位置示意見圖3。

2.1碰撞力

鉆鋌從空中墜落，0.02 s時與甲板接觸，在發(fā)生碰撞前，碰撞力為零；當(dāng)接觸發(fā)生時，碰撞力開始產(chǎn)生。圖3中，在位置①處，碰撞力峰值為1.28×106N,出現(xiàn)在0.04 s時刻；在位置②處，碰撞力峰值為1.26×106N,出現(xiàn)在0.04 s時刻；在位置③處，碰撞力峰值為1.37×106N,出現(xiàn)在0.03 s時刻。不同墜落位置、碰撞力的起伏趨勢是一致的，不同的是數(shù)值上存在比較明顯的差異。在位置③處，撞擊力峰值提前出現(xiàn)，持續(xù)時間最短，峰值最大。因?yàn)榇颂幗Y(jié)構(gòu)垂向剛度最大，變形最小，對墜物的阻礙作用最為明顯，沖擊結(jié)束后立刻反彈，其反彈力也處在一個較高的水平上，但短時間內(nèi)很快降低。無論在何種位置碰撞，碰撞力曲線(見圖4)都具有明顯的非線性波動特征，說明在碰撞過程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)卸載現(xiàn)象，且每次卸載都伴隨著某些構(gòu)件的失效或破壞。

2.2碰撞應(yīng)力

鋼板屬于塑性材料，當(dāng)VON MISE 應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時，材料進(jìn)入塑性階段。在位置①處，最大碰撞應(yīng)力為600.27 MPa，發(fā)生在甲板板處；在位置②處，最大碰撞應(yīng)力為629.06 MPa，發(fā)生在鉆鋌正下方的角鋼腹板根部；在位置③處，最大碰撞應(yīng)力為611.23 MPa，發(fā)生在角鋼端部。由甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(圖5)可知，最大等效應(yīng)力均發(fā)生在墜物與撞擊面接觸的初始時刻(0.02 s)，此時應(yīng)力波還沒有傳播到整個甲板，隨著碰撞繼續(xù)進(jìn)行，應(yīng)力波開始由碰撞區(qū)域迅速向四周擴(kuò)散，板架所受應(yīng)力逐漸減小。跌落區(qū)域結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力均超過靜載作用下的355 MPa，此時材料進(jìn)入塑性階段，而遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值很小。由于應(yīng)變率對屈服極限有明顯的影響，在較高應(yīng)變率下動力屈服極限可高出靜力屈服極限2～3倍[1]，因此某些單元在應(yīng)力>355 MPa的情況下也并未失效。

2.3碰撞變形

當(dāng)鉆桿跌落時，結(jié)構(gòu)的損傷變形主要集中在跌落碰撞區(qū)域(主要為塑性變形)，而遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的變形較小(主要為彈性變形)。在位置①，最大變形為95 mm，平臺甲板面以碰撞點(diǎn)為中心產(chǎn)生圓形的凹陷狀變形，甲板的拉伸使得縱向加強(qiáng)筋也發(fā)生輕微形變。在位置②處，最大變形為86 mm，接觸發(fā)生后碰撞力迅速傳遞到縱向加強(qiáng)筋上，隨著撞深的增加，加強(qiáng)筋產(chǎn)生彎曲變形，同時面板和腹板發(fā)生屈曲褶皺現(xiàn)象。在位置③處，最大變形為46 mm，橫梁作為主要的支撐結(jié)構(gòu)，由于剛性較大，變形相對不明顯。

2.4碰撞能量

在碰撞過程中，能量的轉(zhuǎn)化滿足能量守恒定律。鉆鋌墜落產(chǎn)生的動能主要轉(zhuǎn)化為鉆臺甲板的變形能(內(nèi)能)、板架的動能和構(gòu)件之間的摩擦及沙漏現(xiàn)象損失的能量，大部分能量都轉(zhuǎn)化為板架的變形能和動能。摩擦能和沙漏能只占很小的一部分，可忽略不計。鉆臺整體具有較好的彈性性能，可降低物體撞擊的損傷。降低損傷主要是通過結(jié)構(gòu)自身的變形實(shí)現(xiàn)的，約占總能量的76%。其余動能占21%，摩擦能和沙漏能占3%，與文獻(xiàn)[2]的研究較接近。為更好地研究鉆臺甲板碰撞損傷特性，有必要對各位置處構(gòu)件的吸能情況進(jìn)行分析。圖7～圖9為各位置處構(gòu)件的變形能歷程曲線，該曲線能很好地反映出鉆鋌在撞擊甲板過程中各構(gòu)件隨時間變化的能量吸收情況。在位置①處，甲板板吸能最多；在位置②處，縱向角鋼吸能最多；在位置③處，碰撞初期角鋼吸能最多；隨著力的傳遞，T型梁作為主要支撐構(gòu)件，開始參與吸能?？傮w看，板架的強(qiáng)度和剛度越大，其變形能的轉(zhuǎn)化率越小，這與碰撞變形趨勢完全一致。

3 結(jié) 語

以鉆臺甲板遭受鉆鋌落物損傷為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬考慮不同因素對碰撞結(jié)果的影響，主要得到以下結(jié)論：

1) 鉆鋌從同一高度處墜落到甲板上，不同位置處撞擊曲線的起伏和峰點(diǎn)、谷點(diǎn)的位置都有所不同，相應(yīng)的各構(gòu)件的吸能比例也不同，總體上結(jié)構(gòu)的剛度越大，其損傷變形越小，抵抗碰撞的能力越強(qiáng)。

2) 鉆鋌墜落的動能主要轉(zhuǎn)化為鉆臺甲板的變形能和動能，整個系統(tǒng)的總能量是守恒的。墜落物對鉆臺結(jié)構(gòu)的撞擊具有重復(fù)性，大部分能量在第一次撞擊后被吸收，因此相比之下鉆鋌在墜落時第一次撞擊對甲板的損傷更大。

3) 鉆臺甲板結(jié)構(gòu)的損傷變形是局部的，絕大部分塑性變形發(fā)生在撞擊區(qū)域，遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的變形主要表現(xiàn)為彈性變形。

[1] 徐秉業(yè)，劉信聲.考慮應(yīng)變率敏感性的塑性動力學(xué)[J].機(jī)械強(qiáng)度,1984(3):75-83.

[2] PEDERSEN P T,ZHANG S. On Impact Mechanics in Ship Collision[J]. Marine Structures,1998,11(10):429-449.

AnalysisoftheDroppingDrillCollarCausedDamagetotheDrillFloorDeck

LIUWei，LIQingquan
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Dalian 116113， China)

A finite element model is established by means of ANSYS/LS-DYNA to simulate the impact of a dropping drill collar on the drill floor deck. The process is computed with the nonlinear finite element analysis technology. The method can be used for analyzing other impact processes as well.

dropping drill collar； numerical simulation； damage

2017-02-16

劉 偉(1984—)，男，遼寧大連人，工程師，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

1674-5949(2017)02-0036-06

TE951

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