海上風電機組基礎防碰撞分析及防護措施探討

　　根據Tebbett《最近五年鋼制平臺的修理經驗》中對世界上100 起需要修理的海洋結構物損傷原因進行分析得到結果，約25% 的海洋結構物損傷是由于碰撞引起的。根據英國HSE 機構對海洋平臺的損傷調查，在海洋平臺發生損傷的原因調查中船舶碰撞占11.2%，是主要原因之一。根據DNV 海洋工業報告，在挪威北海海域從2001 年到2011 年十年間共發生船舶與海洋平臺碰撞事故26 起，其中6 起造成嚴重后果。

　　海上風電機組基礎與海洋平臺有著類似的結構形式，但是由于海上風電機組處于剛剛起步階段，技術尚未成熟，對應的海上風電機組基礎碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標準規范可供參考。本文對海上基礎與船舶碰撞的研究借鑒了海洋平臺碰撞方面的標準和經驗?；贏NSYS/LS - DYNA 軟件，通過結構模型化及數值仿真計算，獲得并分析了船橋碰撞力、能量轉換、以及風電機組基礎結構的沖擊響應的一般規律和特點，從而為海上風電機組基礎設計、維護、防撞措施等提供理論上的支持。

　　船舶與海洋平臺基礎碰撞理論發展

　　早在20 世紀60 年代，Minorsky 在20 多個船舶與平臺碰撞事故或者實驗的統計數據分析中，得到了撞擊船的動能損失量與被撞平臺結構損傷之間的線性關系，并以經驗公式的形式給出。Martin J.Petersen 的研究工作也同樣具有代表性，對二維情況下的碰撞運動過程進行了分析。20 世紀70 年代，McDermott 等人根據塑性靜力學的基本理論和方法對游輪與平臺結構的低能碰撞問題作了研究。隨著有限元技術的發展，Reckling、Minorsky 和Yang 等人相繼采用有限元技術對船舶平臺碰撞問題進行了研究分析。20 世紀90 年代，Kawamoto 及Che 和Jang利用顯示非線性分析程序MSC/DYTRAN 對超大型油輪在碰撞中的結構響應進行了數值模擬分析，采用顯示有限元法(LSDYNA3D)分析撞擊船的船艏和被撞平臺的結構損傷變形，且計算中假設為剛體碰撞。

　　總之，隨著對碰撞問題的深入研究和有限元技術的不斷發展，國內外在船舶與海洋平臺碰撞問題上的數值模擬手段越來越多，結果也越來越可靠。通過對以往案例數據的統計分析和理論推導，分析結果在海洋平臺設計與維護方面也起到了越來越重要的作用。

　　船舶與海洋平臺結構碰撞模擬方法

　　一、常用分析方法

　　由于碰撞區的變形損傷程度與船舶安全性以及事故后果有直接關系，因此需要充分重視內部碰撞力學的研究。目前研究內部碰撞力學的方法主要有：統計分析法、試驗法、簡化分析法和有限元法。

　　(一)統計分析法

　　統計分析法是將船舶的碰撞問題分為相對獨立的結構損傷和動能損失，研究他們之間的關系，采用完全非線性理論求解碰撞過程中的動能損失，用附連水質量來代替碰撞中水的影響。最后用統計分析方法將損傷體積和動能損失聯系起來，建立線性關系。這種依據大量相似船型的船舶碰撞數據總結出的經驗公式應用很方便，但從成本上考慮顯然是不太現實。另外，這種方法進行了很多簡化，精度也不是很高，因此現在應用很少。

　　(二)試驗法

　　對于比較復雜的無法用理論模型來表達的問題，往往可以通過試驗獲得比較可靠的結論。在船舶與海洋平臺碰撞問題上，荷蘭、丹麥、德國、日本等國的學者都進行了很多模擬碰撞試驗，并總結出了很多具有參考價值的結論。

　　但眾所周知，試驗需要耗費大量的時間和財力，且海洋結構物碰撞問題本身的強非線性特征和碰撞條件的多樣性對試驗結果在實踐中的應用產生很大的局限性，加之海洋結構物的建造非常昂貴，進行此類試驗往往因耗資巨大而難以實施，因此這種方法實施起來難度很大。

　　(三)解析法

　　簡化分析方法一般研究的是破壞過程的特點，借助理論公式加以分析計算，從而為設計者提供整體及局部結構設計計算工具。這種方法主要基于塑性力學中的上限理論和一些重要假設來分析碰撞問題。這些假設主要來自對碰撞事故和試驗研究的觀察分析。但往往由于它將碰撞中的船舶做了大量簡化處理，所以精度相對較低。

　　(四)有限元數值仿真法

　　數值仿真法是對船舶真實碰撞場景的虛擬再現，借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過程中的各種物理量都可以作為結果輸出，可以真實的模擬碰撞現象，部分代替實船或者模型的碰撞試驗，實現“虛擬碰撞”。因此有限元方法是結構碰撞響應分析的強有力工具，也是研究船舶碰撞問題最為有效的方法。

　　但是目前在工程應用中，由于仿真模型的建立需要一定的知識、經驗和處理技巧，模型的計算精度并非總是令人滿意，船舶碰撞非線性有限元法用于實際船舶結構的碰撞分析還沒有完全成熟，數值仿真法的結果仍然需要試驗或者其他研究者的計算結果來檢驗。