二、船舶與海洋平臺碰撞問題的有限元數(shù)值仿真
船舶碰撞的數(shù)值仿真大都采用非線性有限元方法，不僅能夠考慮結(jié)構(gòu)大變形、接觸、材料非線性和結(jié)構(gòu)失效等情況，計算碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷變形與碰撞力，而且結(jié)合了外部機理的分析與計算。
目前常用的三維非線性動態(tài)響應(yīng)分析程序MSC/Dytran 和LS - DYNA 等都可以用來模擬碰撞響應(yīng)，利用顯示或隱式方法求解流體-結(jié)構(gòu)的動力學(xué)控制方程，能較好的解決碰撞中的大變形、損傷、接觸、流體動力等問題。
三、本文分析方法
本文采用兩步分析方法對船舶與風電機組海上基礎(chǔ)的碰撞進行數(shù)值模擬。
根據(jù)分析經(jīng)驗，擬采用LS - DYNA 和ANSYS 軟件進行分析。借助ANSYS Workbench 軟件與SolidWorks良好的接口和強大的模型前處理功能，對要分析的船體和風電機組基礎(chǔ)進行網(wǎng)格劃分與處理，將生成的有限元模型導(dǎo)入LS - DYNA 進行剛體碰撞分析并提取所需結(jié)果。最后將碰撞分析結(jié)果作為輸入條件對風電機組基礎(chǔ)局部詳細模型進行分析，得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損傷。
船舶和風電機組基礎(chǔ)碰撞有限元分析
一、海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型
根據(jù)某風電機組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，建立六樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型。每個基礎(chǔ)有6 根鋼管樁，結(jié)構(gòu)底面直徑為24m;鋼管樁采用Q345C 型鋼材，導(dǎo)管架鋼材為Q345D 型，如圖1 所示。
假設(shè)撞擊船為5000 噸級，簡化后型長20m，型寬16m，型深15m，吃水線5m。計算模型碰撞區(qū)域采用殼單元建模，對艏尖艙之后的船體，因其遠離碰撞區(qū)域，實際并不產(chǎn)生變形，僅提供剛度和質(zhì)量影響，故將其省略。
二、有限元模型
根據(jù)簡化的幾何模型建立有限元模型，為減少計算時間和保證結(jié)果精度，本項目中基礎(chǔ)和船體都采用殼單元SHELL163 單元建模;并對所關(guān)心的碰撞區(qū)域網(wǎng)格細化，得到整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2 和圖3 所示。
圖1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
三、接觸算法
碰撞構(gòu)件之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動。
圖2 整體結(jié)構(gòu)有限元模型
圖3 局部網(wǎng)格加密
本文使用的是主從面接觸算法，在求解的每一時間步長，檢查從屬節(jié)點的位置坐標，看它是否已經(jīng)穿透主面，如果還沒有穿透，則計算工作不受影響地繼續(xù)進行;如果已經(jīng)穿透，則在垂直于主面的方向上施加一個作用力，以阻止從屬節(jié)點的進一步穿透，這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元屬性。
圖4 模型約束條件
四、分析工況
本項目模擬了多種船艏與基礎(chǔ)碰撞的工況，并根據(jù)計算結(jié)果總結(jié)規(guī)律，得到分析船與風電機組基礎(chǔ)碰撞的一般規(guī)律。
(一)約束條件
對風電機組基礎(chǔ)鋼管樁底部位置進行全約束;為保證船艏運動方向，約束船艏沿豎直方向的自由度。模型約束條件如圖4 所示。
