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基于ABAQUS/Explicit的某铺管船坠物跌落的非线性有限元分析

杜之富,李磊,韩华伟,张谭龙

（烟台中集来福士海洋工程有限公司，烟台，264000）

摘要：坠物跌落是铺管船作业中可能遇到的严重事故之一。应用ABAQUS/Explicit非线性有限元分

析方法，对海洋工程铺管船坠物跌落过程进行了数值仿真，并对船体结构受坠物冲击后的性能进行

研究。采用了两种跌落形式(水平形式和垂直形式)。船体结构的碰撞损伤变形在碰撞区域主要表现

为塑性变形，在碰撞区域以外主要表现为弹性变形。同时，分别分析了坠物从不同高度跌落相对应

速度时结构的应力和应变。

关键词：铺管船；坠物；冲击碰撞；ABAQUS/Explicit

海洋工程铺管船上一般都装有大型的起重1.2显式求解方法

吊，这些吊主要在以下两种情况下作业，一是把ABAQUS/Explici应用中心差分法对运动方

物体从供给船上起吊到铺管船上，二是在铺管船程进行显示的时间积分，由一个增量步的动力学

上把物体从一个位置起吊到另一个位置。由于作条件计算下一个增量步的动力学条件。在增量步

业的频率非常高，就不可避免地发生因脱钩、绳开始时，程序求解动力学平衡方程，即式(1-3)，

断等引起的物体跌落。跌落碰撞是船体结构在很则可得：

短时间内在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的

非线性动态响应过程，它具有非常明显的动力特

性,而且碰撞区构件一般都要迅速超越弹性阶

F?I

??

u=

ii

iM

i

(1-4)

段而进入塑性流动状态，并可能出现撕裂、屈曲

等各种形式的破坏或失效。

?

然后式（1-4）对时间进行积分可得速度ui

，再

1ABAQUS/Explicit动态计算原理

对时间进行积分可得位移

u，中心差分法的显

i

1.1碰撞运动方程式形式为：

在总体坐标系中，碰撞运动方程可以表述如

下：

???

Mu+Cu+Ku=

F

(1-1)

其中：M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚

???

度矩阵，

u为加速度向量，u为速度向量，u为

位移向量，F为包括跌落冲击力在内的外部力

??t+?t

??

u=u+

(i+1)(i)

?

(i+1/2)(i?1/2)

2

?

?

?

u=u+?tu

?

?

(i+1/2)

(i+1)(i)(i+1)

?t+?t

??=(i1)

(i)+

t

(i+1/2)

?

?

2

2有限元模型

??

u

(i)

(1-5)

向量。2.1跌落物体模型

?

若设I=Cu+Ku

，则式（1-1）可变为：

跌落管只用壳体来模拟，如图1所示。根据

DNV规范可以把跌落物体假定为刚体，跌落管

??

Mu=F?

I

(1-2)

的材性为刚性材料。

如果采用集中质量,即质量矩阵M变成对

角矩阵,则各个自由度的方程将是相互独立的,

即：

??

M=?

iuFI

iii

(i=1,2,??????)(1-3)

图1跌落管的有限元模型

2.2船体有限元模型

跌落物体主要对船的局部的结构造成破坏，

3跌落碰撞参数

表现为明显的局部冲击损伤的特性，因此，只是3.1跌落形式

创建了物体可能跌落到区域的结构模型如图2起重吊在吊装管子作业时，管子发生跌落时

所示。有限元分析结果的精度与网格大小有关，的下落形式可能有很多种，但限于论文篇幅的原

所以跌落区域的网格进行细化，而非跌落区域的因，本文只选择了两种跌落形式，即：与甲板水

网格划分较粗。平下落与甲板垂直下落，如图3所示。

图2船体的有限元模型

表2铺管船的主要参数(a)水平形式

总长L/m型宽B/m型深H/m吃水d/m

325.039.024.010.6

2.3材料模型

船用钢材是一种对应变率高度敏感的材料，

其屈服应力和拉伸强度极限随应变率的增加而

增加，因此，应变率对钢材材料性质的影响也要

考虑，ABAQUS中拥有强大、丰富的材料库分

析中选择了与实验数据符合的较好的

(b)垂直形式

Cowper-Symonds本构方程：

σ

σ

y

0

=1+

??

ε

?

?C

?

1/P

?

?

?

?

(2-1)

图3跌落管下落形式

3.3跌落速度

在跌落分析时，冲击荷载是以物体刚与船体结构

其中，

σ为动态屈服应力；σ为初始静态屈服

y0

接触时的速度施加于模型。忽略空气对跌落物体

的阻力影响，假定物体从跌落位置开始以

?

应力，355N/mm2ε

;为塑性应变率；C,P为

9.81m/s2

重力加速度进行自由落体运动，则有