FPSO防护圆管在碰撞载荷下的变形研究

2019年2月

武汉理工大学学报（交通科学与工程版）Journal of Wuhan University of Technology

(Transportation Science = Engineering)

Vol. 43 No. 1Feb. 2019

FPSO防护圆管在碰撞载荷下的变形研究\"

刘清扬1!朱

凌

12!\"孔杰灵1!陈明胜1!

(武汉理工大学交通学院武汉430063)(高新船舶与深海开发装备协同创新中心2)武汉430063)

摘要：在一些大型浮式平台如FPSO上设有防止设备发生碰撞的防护结构，这些防护结构通常由

圆管组成.圆管受到撞击后产生的总体变形包括整体变形与局部变形.由于防护结构受到碰撞载

荷后不能影响设备的正常运转，所以这类圆管产生的变形特别是整体变形不能过大.为了评估圆 管受碰撞作用下产生的变形，进行了系列实验和有限元仿真的研究，重点研究了区分整体变形与 局部变形的方法以及一定撞击能量下圆管产生变形的估算.根据五组共约100多根圆管的实验结 果，提出通过上下表面撞击位置最终变形的比值定性表征整体变形与局部变形的方法.结合实验 和有限元的结果，给出适用于估算不同尺寸圆管局部变形大小的经验公式.基于以上两点研究结 果，能够方便估算圆管在撞击作用下分别产生的整体变形与局部变形.关键词：圆管；碰撞；整体变形；局部变形 中图法分类号：U663. 9doi：10. 3963$. issn. 2095-3844. 2019. 01. 015

0引 言

钢焊管的撞击实验，给出了圆管局部变形与侧向 载荷之间的关系.Jone等）]对以往的实验进行了 总结，并且提出了一种理想化的剖面用来从最终 变形中分别计算出整体变形和局部变形，并对以 往估算圆管受侧向冲击载荷产生最终变形的经验 公式提出了一些改进建议.随着有限元商业软件 的发展，很多动力学的问题都可以借助有限元软 件来进行模拟.周丽军等）0]对自由圆管受平头弹 体的冲击动力学行为进行了仿真，主要研究了圆 管的变形时间历程、最终变形模态，以及能量的分 配.Liu等[11]研究了球状冲头冲击有初始刻痕的 梁的冲击响应，并用LS-DYNA得到了较好的有 限元结果.杨庆丰等）2]对两端固支的圆管的抗侧 向冲击性能进行了分析，讨论了径厚比、冲击角 度、冲击速度等对冲击力和失效模式的影响.

近年来，圆管的撞击问题受到越来越多的关 注.Travanca等）3]总结刚性体和变形体撞击变形 体的问题，并给出了需要考虑的影响参数如管径、 壁厚、应变率等等.Zhu等)14]对圆管受侧向冲问

圆管在海洋工程中的应用十分广泛，如海底 管道、海洋平台的支柱以及防护结构等.在一些大

型的浮式平台如FPSO上，会配置有防止碰撞的 圆管结构.当发生碰撞时圆管首先与撞击物接触 以保护平台设备，这类防护圆管的直径与厚度的 比通常在20〜40[1].圆管受到撞击作用产生的变 形不能过大，否则会影响设备的正常工作.而圆管 的变形分为整体和局部变形，主要影响设备的是 整体变形，因此，区分防护圆管的整体与局部变形 显得尤为重要[2].

对圆管受到撞击产生的变形问题，大部分的 研究都参考了 Thomas等3对圆管三个变形阶段 的定义.Jones等[4F]通过系列实验研究了钢制圆 管在侧向撞击载荷作用下的变形问题，并用壳理 论对圆管的变形进行了理论分析.武勇忠等[67]采 用实验和有限元相结合的方法对圆管的撞击进行 了研究.雷建平等）]进行了三组两端刚固的不镑

收稿日期'018-11-12

刘清扬（1993—）男，硕士生，主要研究领域为冲击动力学、海洋工程安全性与完整性通信作者：朱凌（1962—）男，博士，教授，博导，主要研究领域为船舶与海洋工程、结构安全性与可靠性、冲击动力学等 武汉理工大学自主创新研究基金资助（2015IVA007)

第1期

刘清扬，等：FPSO防护圆管在碰撞载荷下的变形研究

80O45O40O

-71 -

题进行了系列实验 ，重点关注了产生的整体

与局部变形.Yu等[15]专 于海洋工程 圆受到船舶撞击的问题

击 ，不仅 形的区分 终变形 综述.由此可见，圆

，整体和局部变

义.目前热点问题.而对于防护圆

保证设备的安全有重

M

dM/-R闼

35O30O25O20O15OO10O5C

于整 局部变形的区分方法

复杂，且存

很多理 假设.本文针对这一问题

1 了

系@

1

圆管的实验研究过程

1.1圆管尺寸与拉伸实验

实验 钢制圆管尺寸的不同分为五组，分别用A〜EW 示，具 尺寸 见表1.

表1

实验圆管尺寸

组

D/mm

2L/mmH/mmD/H

A252502

12. 5B42420221. 0C60600230. 0D89890244. 5E

114

1 140

257. 0

注：D为直径&L为管长；H为壁厚

钢制圆管的材料拉伸试样按照文献[16 ]规定 选取.为了得到较为可 结果，对每组圆管分别切

能

试

验

机

伸实验.根

据式（1)可以将得到的工程应力-应变曲线 为真实应力-应变曲线.

= #e(se L 1)

!)(et C ln(,e L 1)

但式（1)仅

发

用，紧缩之

后通常会假设应力D

合指数关系[17]，为

# = > ,6 (2)

式(2)系数的确定采用 [18]的方法，分别示为

n = ln(1 L Ag) ；C = Rm (e/n)n

(3)

式中:Ag为应力最大时 Rm为最大的

拉伸应力；e为自然对数底.

图1为D组圆

工程应力-应变曲线和经

过公式处理过后得到的真实应力-应变曲线. 根据这一处理方法，依次汇总每组圆 真实应

力曲线，见图2.所得 曲线 续实验

结果分析和有限元中建 使用.

1.2

不同组圆管的系列实验在落锤冲击机上进 行，其有效高度为2. 7 m.落锤被安置滑轨上以保

图

D组圆管材料拉伸实验结果处理

m5o

s

4

o _钢管/

o - -----------........:::工--------------.-:

—A组---B组钢管

^3

mo C组钢管^2 o D组钢管m

1

'...............……E组钢管

3

0.1

0.2

0.3

真实应力

图

2各组圆管真实应力 曲线

证 .落锤与起吊绳之间用电磁铁连接，起

吊绳直径为1〇mm.落锤冲击机的冲击速度完全 依

锤自由落体产生.实验中使用GEN7t高速

据采集系统，采 率

1〇〇kS/S以保证在

击瞬 录

点.速度采用光电开关

测量.本实验

击速度范围为2〜6m/s，

撞击能量范围为60〜1!〇〇J.冲头形状为楔形，

端部宽度为2. 5 mm，倾斜角度为15°.

实验采用自主设

座和夹具保证圆管两

端刚性固定.在圆管两端钻孔并插入插销以限制圆

向位移.径向位移采用垫 夹具

限

，固定不同管径的圆管时采用不同厚 垫片.实验圆 100根，去除重复实验及无效

实验，有效实验圆

68根.本 关注圆受到撞击后产 形.A组

形圆管见图

3,在撞击能 小时圆

局部变形

；撞击能

大时圆

整

形变得 ，整

形

与局部变形相互耦合.有关实验设备和过程的具

，可以 [17].

图3 A组受撞击后的圆管

2

圆管的实验结果分析

2.1上下表面撞击处的最终变形

实验中测量得到各组圆 不同冲击能量

面冲击处最终变形见图4.

-72 -武汉理工大学学报(交通科学与工程版\"2019年第43卷

日日/聆椒欢«

7o 6o 5o 4o 3o 2o 1o

由于整 以 圆

形是圆管绕端部发 面 整

形

同 . 可得

W-Wuf .-Wul=Wf L

，所(6 )(7 )

Wf/Wuf -L (Wd[+Wu)/Wuf =C1

若Wlf/Wuf = 0,即Wlf = 0.则表示下表面不 发生任何变形，这时W)l/Wuf e 1，即上表面只发 局部变形，整个圆 面均不发生整 ；图！各组圆管上下表面撞击处的最终变形 不同组的圆管用D/H这一参数区分，D/H 的大小可以

圆管具有

厚

丨特性.

由此可以得到D/H

面最终变形的影

响.由图！可知，D/H对于上表面最终变形和下 表面最终变形的影响大小不同.不同D/H的圆 击能量范 面最终变形仅略

微发散，而

面最终变形因D/H的不同而呈

完 发散状.这 同 击能 、D/H对于上表面变形影响较小，对于下表面变形 影响较大.这为在相同的撞击能量下D/H较小 的圆管局部变形不

，而D/H较大的圆管局

部这一现象提供了比较合理的解释.

进一步分析，D/H通过对圆管上下表面影响 的不同而最终影响整体与局部变形 大小.这种对上下表面的影响不可能相同，否则无法体

现圆管整 形与局部变形耦合

.基于这

点，可以借 击处

面最终变形的大

小来

整体与局部变形占最终变形

：重.仅测量两个点

终变形较分析整个圆

丨

变形情 更加简单.

2.2整体与局部变形的区分

实验

有

象

注意，即圆管受到

撞击后会出现下表面上移的现象.因为下表面会

，所以上表面最终变形是整

形与上

表面局部变形Wul之和，而下表面最终变形是整

形与下表面局部变形之差，即

严

C Wg+Wul

(5)

形，见图5a)，这 Thomas 义的圆 形第 段.若Wf/Wuf = 1，即Wf = Wuf，则上表面撞击 处

终变形等于

面撞击处

终变形.可

以认为整个圆管是一根刚性很强的梁，这时WuiS

Wu = 0,而

面的局部变形不可能为

，所

以整个圆管上下表面均不发生局部变形，即Wui = WU = 0.这时圆管只发生整体变形，见图5b).

但于本 示

圆管来说，这 形模

式

理想状况.

f

a)局部变形

b)整体变形

图5圆管变形模式假设

由以上分析知，Wf/Wuf的大小能够反映出 圆管整体变形和局部变形

大小.通过Wf/

Wuf

可以 征整体与局部变形占最终变

形重

.

Wf/Wuf越接近1，整体变形所占比重

越大，Wf/Wuf越接近0,局部变形比重越大.这一 结论可以快速地对整体变形和局部变形 分析

而不

复

测量.

3

有限元分析与经验公式

3.1 有限元模型

圆 击的有限元仿真采用软件

ABAQUS/Explicit进行.圆管模型见图6，Z轴为

圆 长方向，^轴为冲头 方向.圆管冲击处

为坐标面Y=0，Z=0.由于模型具有对称性，仅 建立1/!的模型进行仿真，设置关于平面和

平面 界条件，分析结束后可以显示

完 整

情 ?

圆管单元

S4R三维可变形壳单元，经过

验证网格大小取为2 mm时分析结果稳定.实验

第1期

刘清扬，等：FPSO防护圆管在碰撞载荷下的变形研究-73 -

日

日聆椒欢«袞咁殳

〇

■

D ®

B ▼疃等.…

^ ^

AV

♦

A组实验结果1■

□ A组有限元结果

H

图6有限元模型示意

懈：

◦B组有限元结果

*B组实验结果-C组有限元结果▲ C组实验结果▽D组有限元结果 ▼ D组实验结果:E组有限元结果 ♦ E组实验结果

r0

200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600

冲击能量五/J

中的冲头接近于刚体，所以冲头 建立与

圆管表面接触的宽度为2. 5 mm的矩形，采用解 析刚 征冲头

.对冲头模型建 点，将

图8实验与有限元结果对比

由 图 8 可 ， 击 能

小 时 不 同 尺 寸 各

冲头 初速

赋 点上.所有

上何

均

实验的实

确定.冲头

与圆

接触设为面面接触，摩擦系数设置为

0.15,圆管端部 界条件为刚性固定.材料非线

性通过在ABAQUS/Explicit中输入材料的应力

一

关系定义.各组圆

1.1

节中的结果，再将其变为 力一应变输入.材

料密度为7 850 kg/m3，弹性模量为206 GPa，泊 为 0@3@

3.2有限元与实验结果对比

实验结

批量仿真之前，首先选择

一组实验 ，将实验测

加速度时程曲

线与有限元 结

，C13M组的结果

见图7.

实验结果和有限元结果基本吻合，实验曲线 有一些高

造成的波动，可以通过滤波 1

.实验 击结束时

有限元

长，可能由于实验 界条件不能实现完

刚性固致的.实验和有限元的加速度时程曲线与横

标

面积基本相同，表明冲 本一致.总

，在ABAQUS

有限元仿真能够较

为真实的模拟圆管受到楔形体撞击的情况.各组实验圆 仿真，并将实验和有限

元的结果汇总如下.图8为圆 面撞击处最终变形的有限元与实验结 .各组圆 E不同 击 能 实 验 有 限 元 据 均 吻 合好.撞击能量较大时，实验略高于有限元结果，但

10T以内.考虑到实验

不可控因素，认为能使用这些结

分析.

组圆 面最终变形 不大.随着撞击能量

不断增大，不同组圆管受D/H不同的影响开始

.这一现象 击能量范 ，不同组圆

面最终变形符合

律.结

合对圆管受撞击后产

形模式分析，圆

^受到撞击后会首先产生局部变形，这

段是局

部变形阶段；随着撞击能 增大圆 局部变形与整 形耦合的阶段.在图8的能量范

，由实验观察和有限元分析，圆 处于局

部与整

形耦合的阶段.由

为在一

击能量范 ，各组圆 局部变形可能具有相同 ，而随D/H不同造 与整体形关系较大.如果以上分析 ，那么不同尺寸圆

局部变形可以用统 验公式

f计

.

3.3经验公式拟合

根据实验和有限元的结果，若进行公式拟合 还缺少关键的撞击能量较小的情况.为了使拟合 的公式符合实

物理意义，需要保证拟合曲线

过零点.用有限元 击能 小的情况，设置

冲头速度在0.2〜2m/s.

结合小冲击能 点，认为圆管圆截面二分

高 位

可以表征整 形

=性.从分析结

出冲击处截面

与管交节点 终位

示圆

整

形，最

终变形减整 形就得到局部变形.中性？

假设，认为 形的圆截面分为周长相

两部分.虽然这 理 假设，但是在

小冲击能 圆管局部变形较小无法影响到

：

位置时，得到

与

交节点的位

可以 为是整 形.这一方法在冲击能小的范 能够得到较为准确的局部变形.

得结果与实验结 汇总，结果见图&

为了使经验公式更具 ，采用无量纲化的结

拟合.撞击能

无量纲化公式为

• 74 •武汉理工大学学报(交通科学与工程版\"2019年第43卷

(EP 4#y (D-H)2H2

■ A组钢管实验值■A组钢管额限元补充结果

* B组钢管实验值•B组钢管额限元补充结果 ▲ C组钢管实验值▲ C组钢管额限元补充结果 ▼ D组钢管实验值▼D组钢管额限元补充结果 ♦E组钢管实验值组钢管额限元补充结果

(M\"

ment of simple design-oriented procedure for predic-ting the collision damage of FPSO Caisson ProtectionStructures[J]. Ocean Engineering, 2017 (2): 458­

〇4「_被合曲线

469.

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图9各组圆管局部变形拟合

式中#y为圆管的屈服应力；7k为撞击能量.采用

拟合，结果为

= 0.11n(A + 1)

(9)

这一表达式足够简洁而且具有相当的准确

度，其只2 为0.96,这 接近1表示拟合

小.另外，拟合的公式还具有较好的物理

义，当撞击能量为零时，局部变形为零.公式中 量纲 圆管局部变形与量纲 击能 倍数关系为0.1.此拟合

验公式可以用于不同撞击能

不同尺寸圆

局

部形@4

结

论

1) 圆管受侧向撞击后，D/H对上下表面撞击处

终变形影响不同，其

面最终变形

影响大，对下表面最终变形影响小.

2) 通过 面撞击处最终变形的比值，可

以

局部变形与整

形的大小.8lf/8uf

越接近1，局部变形所占比重越大，8lf/8uf越接0,整体变形所占比重越大.

3) 结合实验和有限元结果，提出不同尺寸的圆

击能量范

产生局部变形

：

验公式为 8ul/D = 0. 1 ln (A + 1).

综合以上结论，可以比较便捷的对FPSO等

防护圆管受撞击作用

形进行评

，对整

形

影响设备正常工作做出判断.

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Research on Deformation of FPSO Protective Pipe Under Impact Load

LIU Qingyang \" ZHU Ling1'2 * KONG Jieling \" CHEN Mingsheng \"

{School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)11 {Collaborative Innovation Centre forAdvanced Ship and Deep-sea Exploration，Wuhan 430063, China)2Abstract： Some large floating platforms such as FPSO are equipped with protective structures to pre­

vent collision of equipment. These protective structures are usually composed of round pipes. Since the protective structure cannot affect the normal operation of the equipment after being subjected tocollision load，therefore，the deformation of tubes， especially the global deformation， cannot be toolarge. In order to

evaluate the

deformation

of

circular tubes under

finite element simulations were carried out，with emphasis on the method of distinguishing global de­formation from local deformation and the estimation of deformation of circular tubes under certain im­pact energy. According to the experimental results of 5 groups of more than 100 tubes，a qualitativecharacterization method of global deformation and local deformation was proposed by the ratio of final deformation at the impact positions of upper and lower surfaces. Based on the experimental and finite element results，empirical formulas suitable for estimating the local deformation of circular tubes of different sizes were

presented.

Based on

the

above two research

results，it

the overall deformation and global deformation of tubes under impact.

impact，a series

i

Key words： circular tube； collision； global deformation； local deformation