物体坠落对X型导管架平台的冲击动力学分析文献综述
2020-05-02 05:05
开发利用海洋石油资源需要一定的设备和技术，各式海洋平台的设计建造解决了这问题。一般来说，海洋平台是一种具有水平台面的海上空间桁架结构物，常用于海洋油气资源的勘探开发以及海洋环境与气候的监测等近海及海洋工程领域。历史上最早出现的用于水上采油的构筑物是由木质材料建成的。木质材料由于本身强度较小，且在水中浸泡久了容易腐朽，加上木桩长度非常有限，使用起来非常不便。后来出现了钢质结构平台，并且逐渐取代了木质平台。钢质结构平台具有诸多优点，例如能够承受较大载荷，可以用于几十米甚至几百米深的海域，寿命也较长，对海洋环境的适应能力较木质结构而言大大增强。
我国海洋石油工业起步相对较国外晚很多，但是发展非常迅速，尤其是近几十年来，伴随着海洋工程技术的进步，逐渐出现了自升式平台、座底式平台、钻井浮船、半潜式平台以及海洋浮式采油生产装置(FPSO) 等形式的钻井采油设备。如今我国已有的各式海洋平台已经可在水深数百米甚至数千米的海域从事石油钻探和开采活动。
导管架海洋平台是一种固定式平台，它具有刚度大、整体稳定性好、造价低廉、建造方便、适用范围广等诸多优点。作为一种近海海洋结构物，导管架平台主要在海洋石油勘探开采中被广泛应用。可以毫不夸张地说导管架海洋平台几乎遍布在世界上各个有油的海域。
尽管导管架平台作为海上石油开采重要设施，具有重大的国民经济意义。但是导管架平台在复杂恶劣的工作环境中，不仅受到正常的工作载荷和环境载荷作用以外，还受到爆炸、火灾、坠落物等意外载荷作用。这些偶然性事故一旦发生将对导管架平台造成严重的后果，导致结构的破坏，甚至人员伤亡和环境污染等问题。正确分析和评估导管架平台结构由于碰撞等偶然事故所造成的损伤，及损伤对平台结构的强度、承载能力和疲劳寿命的影响，成为海洋工程中的重要研究课题口。现有对于平台偶然性事故的研究主要集中在船与平台的碰撞、油气爆炸和火灾，而吊装时坠落物对平台冲击的研究资料却很少。
吊装作业在海洋平台上是十分常见的一种作业形式，而物体坠落事故又往往在吊装作业过程中发生，因此物体坠落的事故在海洋平台作业当中也是十分常见的。例如，在海洋平台的吊装作业当中，每个平台作业年有五分之一的事件是钢管在吊装当中发生坠落。其它的设备例如集装箱，水箱，绞车，钻头，以及发动机等，也都很有可能在吊装作业过程当中发生坠落。在海洋工程当中与吊机作业有关系的物体可以在吊机所能活动范围之内的任何地方发生坠落。作为一种意外载荷，物体坠落对于海洋平台结构以及人员的安全都会造成非常大的影响。
在众多导管架平台破坏形式当中，物体坠落事故在数量上居于首位，占总事故数的34.8%，可以说，导管架平台上的物体坠落已经对导管架平台结构及人员安全带来很大威胁，因此，导管架平台物体坠落值得海洋平台设计者和工程师关注。
导管架海洋平台技术发展到今天，国内外专家学者们做了大量的研究和试验工作，也取得了不少成果。这方面的工作包括数学物理模型的建立和简化、各种外载荷的计算、结构极限承载能力和强度计算、疲劳作用、动力响应方面的计算，以及平台上物体坠落等等。
就平台结构强度、极限承载力和安全评估方面的计算而言，国内外的研究成果颇为丰硕。如国外的Vannan等学者应用线性分析简化方法，计算出美国墨西哥湾五座平台的极限承载力，证明了该方法的有效性、实用性和经济性[1]。Farnes和Moan进行了海洋平台在极限状态下的非线性动力响应分析[2]。
国内的研究人员同样对这一一方面进行了较为深入的研究。中科院力学研究所的许滨、申仲翰通过将非线性模拟技术与线性分析程序结合，对受集中载荷作用的空间框架结构成功地进行了分析[3]。王文明、张世联等以一简化的四桩腿导管架平台为例进行非线性波浪力等的计算，并进行非线性倒塌分析，同时分别计算了四种不同工况下，平台在完整模式下和单个构件失效条件下的极限承载力，以及单个构件失效后平台结构的剩余强度系数，分析了单个构件失效对导管架平台极限承载力的影响[4]。嵇春艳、李珊珊等基于结构基底极限抗剪切能力的计算方法，发展了一种全寿命期内极限承载力的计算方法[5]。聂炳林建立了包括上部组块、导管架和桩在内的有限元模型对平台进行了完整结构的非线性倒塌分析，并对结构的失效概率进行了计算[6]。陈维杰等采用计算流体力学方法研究了强台风对平台造成的损伤问题，并对平台在8种不同风向角下的工况进行了数值模拟，得出流场压力和平台各组块所受风载荷的变化曲线等[7]。
结构在外载荷作用下的动力响应方面，韩晓双提出了导管架平台随机动力响应的简化计算模型，该方法基于梁理论，将Ritz法和虚拟激励法相结合，计算平台随机响应[8]Hsien和Tognarelli则分析了海洋平台在非高斯海况载荷下的频域响应，比较了深海较小刚度导管架平台在高斯和非高斯分布波浪载荷作用下振动响应的概率统计情况，还计算了载荷的二阶项作用对于理想化波浪冲击对平台结构的影响[9]。王世敬对施加动冰载荷的导管架平台模型进行了动力响应分析，得出关键点位移和加速度响应曲线[10]。
在桩土相互作用理论方面，早在1936年Reissner就通过Lamb积分进行了关于刚性圆形基础板在竖向载荷作用下的震动研究，并由此奠定了土-结构相互作用问题的研究基础[11]。Novak和Aboul-Ella在平面应变以及层状介质假定的基础上，对高频激振时的桩土相互作用计算提出了一种更加简单并且有效的方法。王慧、杨光辉、张鸿儒等建立了连续介质力学模型，并从波动理论角度出发，求解能够满足边界条件的波动方程，从而得到了桩周土的位移和应力表达式[12]。祝彦知、程楠等基于粘弹性理论，研究了横向载荷作用下桩基础与周围士体的共同作用问题，并建立了横向载荷下柔性桩和刚性桩的横向变形与内力长期效应分析的基本方法[13]。严岳、冯军研究了桩基导管架结构在地震作用下的响应情况，对考虑和不考虑桩土非线性作用时的情况作了对比[14]。刘毅、杨树耕、潘阳等结合p-y 曲线法对考虑和不考虑群桩效应的导管架平台进行了非线性分析，得出群桩效应对结构计算影响的相关结论[15]。
导管架结构疲劳作用方面，施昌威、程承吉和张丽将Miner线性法则、Paris公式和Manson公式相结合，分析了导管架平台在单一谱载荷作用下的疲劳损伤，给出了总疲劳损伤的计算方法[16]。付春、姜绍飞、吕啸斐针对海洋平台等大型结构在疲劳可靠度计算中存在的不确定性问题，采用子结构法简化海洋平台模型，计算了不同构件层次和失效模式的可靠度以及平台整体的可靠度[17]。
在物体坠落研究方面，WeiMin Chen基于非线性动力平衡方程和刚性简化的塑性材料获得了一块板在受坠落物体冲击并且发生大变形时的一个能量守恒方程。通过求解，作者获得了一个板在受坠落物体冲击发生永久变形时的一个双边界解(上部和下部)。所提出的模型应用在了一个方型的平板上，这个平板在中心处受到一个垂直于平板的平头圆柱的落物冲击。结果发现，如果定义一个合适的变形方程，求解结果可以很好的满足实验的结果。
Stiff John（NobleDenton and Associates Inc)利用数学和物理模型来确定坠落物体在3000到6000英尺水深下的可能的运动轨迹。他利用物理模型来测定由数学模型所确定的轨迹和接触点。在这个过程当中测定了所要利用的一些重要的参数，进而得出了结论，大型物体的坠落不会像柱型物体那样到达水很深的地方，而且在给定的条件下，可以通过分析水下的设备来最小化坠落物体的影响。
Wenger,Ame等人研究了Statfjord油田的管架和井口区域防护偶然坠落物体的设计。他们特别处理了平台的B和C甲板，并做了三个系列的全尺度测试，用9个半英寸钻铤分别从8米至42米的高度，坠落至厚度为12毫米至47毫米的钢板。管架区域和井口周围区域采用了加筋的连续焊缝的板，每个井口上使用简单支持的舱口盖。根据实验结果，提出了一种决定钢制甲板必需板厚设计方法[18]。
挪威SINTEF公司材料与化学部门对海洋平台上的物体坠落问题进行了分析，将被坠落物体冲击的平台所吸收的能量为分两部分，一部分是结构总体变形，主要是弹性变形所吸收的能量;另一部分是局部塑性变形所吸收的能量。作者采用LS-DYNA软件做了Oseberg平台上集装箱坠落的模拟，并验证Oseberg平台的坠落物体防(Dropped Object Protection)。作者对管的坠落落进行了模拟，由于局部变形严重，采用了二次模拟的方法，细化格进行计算[19]。
麻省理工学院的de Oliveira和Joao G考虑了在刚性固定的梁和矩形薄板上的质量块坠落的影响。比较了不同的近似方法，并提出了简化的设计方程。方程中给出，冲击造成的最大永久变形是坠落质量块几何形状、材料属性和初始动能的函数。他们的研究结果对于评估受冲击载荷时的结构单元的响应是十分重要的，因此会在设计阶段受到关注[20]。
Luo,Y.和Davis,J.的研究了海洋平台工作时坠落物体的瞬时运动，及其对水下结构潜在的破坏。通过解时域中运动微分方程，作者提出了预测物体坠落运动解析方法。通过例子进行的参数研究，确定了对坠落运动有重大影响的关键参量。基于仿真的结果，绘出海底的风险等值线，进一步对风险进行了统计性研究。最后，讨论了将物体坠落研究实践应用于风险评估、风险预防及油田规划设计[21]。
A1-Obaid,Y.F.提出基于经验方程的求解钢制结构上穿透和变形的过程。作者用FORTRAN77编写了相应的计算机程序,可以输入不同的材料属性和坠落高度来求解经验方程，得到的结果与有限元程序OBAID的结果进行对比。作者还为研究者提供了流程图和部分程序代码以及计算结果[22]。
Jensen 等人针对海洋平台上的物体坠落问题，做了一系列冲击试验，测试了轻质聚合混凝土板受到的冲击。研究了局部破坏与穿透，冲击时间与冲击力，以及它们与坠落物体的材料性能、质量、速度和几何形状的关系。基击于试验结果，他们证明了一种简化分析模型[23]。
挪威理工学院的Soreide等人对管状物体的冲击进行了研究。通过引入的船-平台碰撞的-一般碰撞力学与解析方法，估计了横撑单元的吸收能量能力。还讨论了在椭圆变形和局部断裂情况下，简单管单元承载能力的下降，并建立了数值模型。另外，他们做了1.0～2.0 米/秒冲击速度的动力学试验，来研究冲击速度对结构吸收能量能力的影响[24]。
挪威Trondheim大学的Langseth,M.对合金AA5083-H 112和AA6082-T6 材料的均匀铝板受钻铤坠落冲击进行了实验研究，并将结果与St52-3N 号钢板进行对比。作者发现合金AA5083-H112 比AA6082-T6 可以更有效地防止冲击破坏，并且在相同坠落高度的情况下，使用铝比钢节省35%的重量。为了增加对于低速的大型重物冲击钢板和铝板后板的响应的了解， Langseth 和Larsen 分别在1990，1993,1994 年做了模型的测定实验。刚性的冲击物以一定的速度撞击铝板和钢板，以研究这些物体的抗冲击能力并确定设计建议。基本的变量是板的厚度，相应的冲击物体的厚度和支撑条件[25]。
为了扩大Langseth和Larsen所提出的设计建议当中的参数范围，并且对于坠落物体冲击板的影响有一个更好的了解，是需要用数值分析方法来进行研究的。然而在用数值方法对坠落物体进行分析之前，它的可靠性是需要进行验证的。因此Honolulu利用有限元程序LS-DYNA对坠落物体冲击铝板和钢板进行仿真并且与实验结果进行对比，通过研究，Honolulu发现有限元模拟在利用准静态材料和板元时，分析St52-3N钢板时可以得到满意的结果。然而对于铝合金板AA5083-H112和AA6082-T6来说，有限元分析和实验结果有一些较大的差别，因此在得出一个总的结论和建议之前，还需要进一步进行研究。
挪威科技大学的Moan,Torgeir 等人介绍了一种评估张力腿平台受冲击载荷时的损坏风险的方法。其中，他们估计了船舶碰撞和物体坠落的可能性,用几率方法估计了相关的冲击破坏，进水和拉索失效。综合这些估计结果，得到了破坏的可能性。适当的立柱和浮筒的结构设计可以控制破坏的风险。在已定分舱的情况下，为一艘北海张力腿平台船体设计平面或曲面舱壁抵抗冲击载荷，使船舶碰撞和物体坠落的风险达到可接受的风险水平[26]。
Katteland等人认为，虽然北海所有海洋平台装置物体坠落的风险都已经评估，但是在大水深平台开发中的物体坠落经验十分有限。因此他们主要研在大水深情况下的物体坠落风险，并得出几类坠落物体造成的不同的坠落载荷分布，还考虑了风、浪、流的影响，提出了风险计算模型，并给出一个例子进行说明[27]。
Wimpey 实验室和I.C.Brown 等人完成的坠落物体在混凝土平台上的冲击损坏研究分为三部分。第一部分，作者给出了平台和坠落物体的实例，以及坠落物体速度的计算方法，还用有限元方法计算了块状物体坠落破坏，并指出弯曲破坏是最可能是失效模式。第二部分描述了针对物体形状等因素对坠落破坏的影响进行的试验，并通过回顾若千可能的估算冲击破坏方法，指出模型试验和适合的经验公式是比较准确的方法。但该方法不满足痂斑极限，因此作者提出新的痂斑的经验公式。此外，作者还列出了最优的预测破坏的经验公式，并以两个典型平台为例进行了估算。第三部分，作者为今后的研究提出建议。
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2. 研究的基本内容与方案
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根据导管架平台的研究现状及存在问题，将主要研究由包括泥面以下主桩在内的不同直径杆件构成的X型导管架海洋平台在受到物体坠落造成的载荷作用后的结构强度和结构响应情况，并分析总结其在物体不同坠落情况下，如物体在不同高度坠落、物体坠落在导管架平台不同位置等等，所体现出来的响应规律。
研究过程中将利用大型有限元软件ANSYS建立模型模拟物体坠落冲击X型导管架平台平台的动态过程，计算时考虑桩土相互作用，对泥下主桩部分采用简化的等效桩法进行处理。通过计算，分别得出在不同坠落情况下坠落位置处变形大小。在此基础上对计算结果进行整理并分析，总结出其在不同坠落情况下的响应规律，所提出的规律可为X型导管架平台的设计及安全性能提供参考。
等效桩法，是考虑到导管架平台泥面以下桩周围的土体对桩起到一定程度的支承和约束作用，在建立计算模型时可将导管架结构的部分理想化处理，即用一定长度而下端刚性固定的桩来替代的方法。该方法较为简单方便，计算的结构力学性能结果与试验结果基本一致，在精度上能满足设计的要求，故在工程上也常采用。等效桩法的实际做法是根据桩土的特性作出一段梁，使梁端刚度与桩顶刚度等效，将这一段梁看成结构的一部分进行整体计算。此时这段梁起到取代泥下的桩的作用，整个结构成为完全的线性结构，使计算得到很大程度的简化。等效桩法普遍用于平台的动力分析当中，另外在概念设计阶段或没有可靠土壤资料时也被用于结构的静力分析。
在研究过程中，建立X型导管架平台三维有限元模型大致有如下过程:
(1)平台有限元模型的建立
导管架平台有限元模型的建立是进行有限元分析的前提。模型建立后其划分杆件单元的大小、数目和杆件间的连接方式以及边界条件才能进一步确定。
(2)杆件单元的划分
单元的划分也叫结构离散化，实质上就是将平台(或其它所要计算的部分)这种实际的弹性连续体划分成若干较小单元。各相邻杆件单元在节点处采用固定连接。节点位移作为基本未知量，引进节点力和节点约束条件，从而组成导管架平台有限元计算模型以替代原来以连续体形式的平台结构。
