钻铤坠落对钻台甲板的损伤分析.pdf

第4 0 卷第2 期上海船舶运输科学研究所学报 V 0 1 4 0N o 2 2 0 1 7 年6 月J O U R N A L0 FS H A N G H A IS H I PA N DS H I P P I N GR E S E A R C HI N S T I T U T E J u n 2 0 1 7 文章编号：1 6 7 4 5 9 4 9 ( 2 0 1 7 ) 0 2 0 0 3 6 一0 6 钻铤坠落对钻台甲板的损伤分析 刘 伟，李清泉 ( 大连中远船务工程有限公司，辽宁大连1 1 6 1 1 3 ) 摘要：主要研究钻铤坠落对甲板的损伤问题。利用A N s Y s L D Y N A 软件建立有限元模型，模拟钻铤坠落冲击 钻台甲板的动态过程。通过对非线性有限元求解技术进行分析，研究适合于坠物与钻台甲板碰撞分析的数值仿真 方法，对甲板结构的碰撞损伤特性进行分析。 关键词：钻铤坠落；数值仿真；损伤 中图分类号：T E 9 5 1文献标志码：A A n a l y s i so ft h eD r o p p i n gD r i l lC o l l a rC a u s e dD a m a g et ot h eD r i l lF l o o rD e c k L I U i ， L IQ i 竹g q “口竹 ( C o S C o ( D a l i a n ) S h i p y a r dC o ，L t d ，D a l i a n1 1 6 1 1 3 ，C h i n a ) A b s t 哺c t ：Af i n i t ee l e m e n tm o d e l i se s t a b l i s h e db ym e a n so fA N S Y S L 孓D Y N At os i m u l a t et h ei m p a c to fad r o p p i n gd r i l Ic o l l a r o nt h ed r i l lf l o o rd e c k T h ep r o c e s si sc o m p u t e dw i t ht h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g y T h em e t h o dc a nb eu s e d f o ra n a l y z i n go t h e ri m p a c tp r o c e s s e sa sw e l l K e yw o r d s ：d r o p p i n gd “Uc o l I a r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d a m a g e 0引言 在钻台作业过程中，钻铤坠落作为一种偶然事故，会对钻台甲板造成一定程度的损伤，直接影响钻台的 钻井能力。因此，开展钻铤与钻台的碰撞性能研究，揭示钻台甲板在碰撞过程中的损伤变形机理，对提升平 台的安全性具有重要意义。钻铤坠落本质上是弹塑性物体对海洋工程板架结构的碰撞，碰撞过程中存在着 大量非线性现象，涉及材料力学、刚体力学、塑形动力学、结构动力学及损伤力学等多个学科。对钻铤坠落冲 击甲板问题的研究，表面上看可由跌落冲击试验完成，但试验方法存在很多不足之处，包括：试验过程需耗费 大量的人力、物力和财力成本；试验的历程很短，难以观察到试验过程中发生的现象；试验测试条件( 如碰撞 角度等) 难以控制，使得试验的重复性差；一般只能得到试验的结果，难以观察到现象发生的原因；难以观察 结构的内部特性。与传统方法相比，利用A N S Y S L 孓D Y N A 对钻铤坠落问题进行相关的模拟和仿真可很 好地解决上述问题。 1 有限元模型 1 1 钻铤模型 钻铤建模长度为10 0 0m m ，外径为2 4 1 3m m ，内径为7 6 2m m ，质量为28 0 0k g 。选用S O L I D l 6 4 单 元来模拟。由于主要考虑钻台结构的损伤，因此将钻铤定义为刚性材料模型。 收稿日期：2 0 1 7 一0 2 1 6 作者筒介：刘伟( 1 9 8 4 一) ，男，辽宁大连人，工程师，主要从事船舶与海洋工程结构设计工作。 万方数据 刘伟，等：钻铤坠落对钻台甲板的损伤分析 3 7 1 2 甲板模型 板架的尺寸为2 12 8 0m m 1 41 0 0m m ，板厚 为1 5m m ；纵向加强筋的间距为7 6 0m m ；横向型 材的间距为23 5 0m m ；纵向加强筋为角钢，规格 为L 1 8 0 1 1 0 1 3m m ；横向型材为T 型材，规格 为T 5 6 0 1 2 + 3 0 0 1 6m m 。甲板和下部加强筋 均采用S H E L L l 6 3 单元来模拟，材料为船用高强 度低碳钢；材料模型采用的是塑性随动模型 ( P l a s t i cK i n e m a t i cM o d e l ，P K M ) 。甲板模型参 数见表1 。 1 3 网格划分 在进行数值模拟时，对网格进行划分是重要 的一步，直接影响后续计算分析结果的准确性。 表1 甲板模型参数 参数数值 密度( k g m m 3 )7 8 5 1 0 一9 弹性模量M P a2 0 6 1 0 5 泊松比O 3 屈服应力M P a 3 5 5 切线模量M P a 11 8 0 硬化参数 O 应变率c 4 0 4 应变率P 5 塑性失效应变 O 2 3 1 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小，通常随着网格数量增加，计算精度会有所提高。 此外，单元网格的大小对计算精度有非常显著的影响，因此对于跌落碰撞区域的网格采用精细的单元网格 5 0m m 5 0m m ，向周边扩大到1 0 0m m 1 0 0m m ，而对于远离跌落区域则采用1 5 0m m 1 5 0m m 粗网格。 对于钻铤，采用六面体网格，这样既能保证计算精度，又可节省计算时间。图1 为整体网格划分示意。 图l 整体网格划分不薏 1 4创建P A R T L S - D Y N A 规定，P A R T 是具有相同单元类型的实常数与材料号组合的单元集。通常情况下，P A R T 是 模型中的特定部分，在被赋予一个P A R TI D 后，可应用到一些A N S Y S L s - D Y N A 命令中。这里采用 S H E L L l 6 3 和S O L I D l 6 4 单元类型建立5 个P A R T ( 见表2 ) 。通过P A R T 能更加方便地定义接触和加 速度。 裹2 零部件清单 部件序号材料模型单元类型实常数部件名称 1 塑性随动板 1 2 T 型材腹板 2 塑性随动板 1 5 甲板板 3 塑性随动板 1 6 T 型材面板 4 塑性随动板 1 3L 1 8 0 1 1 0 5 刚性实体钻铤 1 5 定义接触 选用自动节点一表面接触方式，当节点碰到目标面时，点面接触发生，由于其是非对称的，因此是最快的 万方数据 3 8上海船舶运输科学研究所学报2 0 1 7 年第2 期 算法。点面接触只考虑冲击目标面的节点，必须指定接触面与目标面的节点组元或P A R T 号。在使用点面 接触时，应注意：平面与凹面为目标面，凸面为接触面；粗网格为目标面，细网格为接触面。根据工程实际经 验，静摩擦系数和动摩擦系数均取o 1 2 。 1 6 施加约束 钻铤坠落属于局部撞击，在远离接触的区域，边界条件影响很小。因此，将远离坠落冲击区域的甲板边 缘扩展到强框架支撑处，采取四周简支的约束条件。 1 7 施加载荷 钻铤自由落体运动仅受重力的影响，加速度为常数，因此定义一条时间间隔与重力加速度关系的载荷曲 线( 见图2 ) 。 图2 力羲荷曲线 1 8 沙漏控制 沙漏模式是一种以远高于结构全局响应的频率振荡的零能变形模式。沙漏模式导致一种在数学上稳 定，但在物理上无法实现的状态。这些状态通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格。沙漏能不能超过模型总体 内能的1 0 。沙漏一般出现在采用缩减积分单元的情况下，只影响实体、四边形单元及二维单元。沙漏控 制方法一般有细化模型网格、避免在单点上集中加载、使用全积分单元和软件内部控制等4 种。对于结构部 件，通常基于刚性的沙漏控制比黏性沙漏控制更有效。当使用刚性沙漏控制时，习惯于将沙漏系数减小到 0 0 3 O 0 5 。 1 9 求解控制 求解与求解控制是L 孓D Y N A 分析中的另一个重要步骤，能否正确控制求解过程将直接影响求解的精 度和计算时间。求解控制一般包括计算时间控制、输出文件控制、高级求解控制和输出K 文件。这里终止 计算时间为2s ，时间步长为0 0 1 ，壳单元厚度方向积分点输出数为5 ，沙漏控制为5 ，最后生成相应的K 文件。 2 碰撞方案 坠物事件具有很大的随机性，存在多种碰撞的可能工况。不同工况下的碰撞参数截然不同，不同碰撞参 数又会产生不同的损伤结果，这里仅针对钻铤坠落到甲板不同位置的工况进行模拟计算，分析不同碰撞参数 对碰撞结果的影响。结合在海上进行钻井作业时连接钻具组合的实际工况，钻铤从3m 高度处自由坠落， 撞击位置示意见图3 。 i 一薹r 一。一。重T + 7 - 一虱一1 广一一一t 一一一一一一一r 一一一一一_ I 了丽广一一一j E 二二t 二二二二= 工二二= 二曼E 二j 注：位置表示落在甲板板上；位置表示落在甲板纵向加强筋上；位置表示落在板架横向框架处 图3 擅击位置示意 O O O O 9 9 9 9 9 9 9 一k E E 鼍 I o 一 一 一 一 一 _叫lI+叭l。 ；量 ! 星 一L L | 三 可 一 一 一 一 I 何卜 一 一o 一 呵迫 1 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一LL 万方数据 刘伟，等：钻铤坠落对钻台甲板的损伤分析 3 9 2 1 碰撞力 钻铤从空中坠落，o 0 2s 时与甲板接触，在发生碰撞前，碰撞力为零；当接触发生时，碰撞力开始产生。 图3 中，在位置处，碰撞力峰值为1 2 8 1 0 6N ，出现在o 0 4s 时刻；在位置处，碰撞力峰值为1 2 6 1 0 6 N ，出现在o 0 4s 时刻；在位置处，碰撞力峰值为1 3 7 1 0 6N ，出现在o 0 3s 时刻。不同坠落位置、碰撞 力的起伏趋势是一致的，不同的是数值上存在比较明显的差异。在位置处，撞击力峰值提前出现，持续时 间最短，峰值最大。因为此处结构垂向刚度最大，变形最小，对坠物的阻碍作用最为明显，冲击结束后立刻反 弹，其反弹力也处在一个较高的水平上，但短时间内很快降低。无论在何种位置碰撞，碰撞力曲线( 见图4 ) 都具有明显的非线性波动特征，说明在碰撞过程中结构出现卸载现象，且每次卸载都伴随着某些构件的失效 或破坏。 图4 碰擂力- 时间历程曲线 2 2 碰撞应力 钢板属于塑性材料，当V o NM I S E 应力达到屈服点时，材料进人塑性阶段。在位置处，最大碰撞应 力为6 0 0 2 7M P a ，发生在甲板板处；在位置处，最大碰撞应力为6 2 9 0 6M P a ，发生在钻铤正下方的角钢腹 板根部；在位置处，最大碰撞应力为6 1 1 2 3M P a ，发生在角钢端部。由甲板结构应力云图( 图5 ) 可知，最 大等效应力均发生在坠物与撞击面接触的初始时刻( o 0 2s ) ，此时应力波还没有传播到整个甲板，随着碰撞 继续进行，应力波开始由碰撞区域迅速向四周扩散，板架所受应力逐渐减小。跌落区域结构的屈服应力均超 过静载作用下的3 5 5M P a ，此时材料进入塑性阶段，而远离碰撞区域的结构应力值很小。由于应变率对屈服 极限有明显的影响，在较高应变率下动力屈服极限可高出静力屈服极限2 3 倍 1 ，因此某些单元在应力 3 5 5M P a 的情况下也并未失效。 a ) 位置甲板结构应力云图 b ) 位置