基于LS―DYNA海底悬空管道动力响应分析

摘 要：基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件，引入非线性弹簧模拟管土接触，采用非线性动力有限元法，对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。根据计算结果，分析了撞击速度、落物质量对管道塑性变形及动力响应幅值的影响。

关键词：悬空管道 碰撞 凹陷变形 动力响应

海底管道服役期间，会受到坠落物体的碰撞，使管道损伤破坏，对于海底悬空管道还会引起悬跨段在垂直方向上的振动。分析此类碰撞问题，不仅要考虑物体与管道接触，还要考虑管土之间的相互作用，是一个高度非线性问题。现有的DNV规范规定了海底管道受到拖网鱼具或外来物体冲击后的变形限制条件，给出了允许的最大永久变形的深度与管道外径的关系式，但规范未考虑海床、坠落物等对能量的吸收情况，忽略碰撞过程中各种非线性因素对于碰撞分析的影响。Wierzbicki等人给出了考虑钢管初始轴向应力影响下，损伤深度与管道吸收能量的计算公式，同时给出了不考虑剪切力条件下撞击力的计算公式。杨秀娟[4，5]采用三维非线性有限元法模拟了海底管道受到坠物冲击碰撞的过程，分析了坠物形状、碰撞角度、摩擦效应、混凝土厚度以及管道内压对撞击的影响。

对于海底管道碰撞损伤变形的数值模拟常采用有限元分析软件进行数值模拟。本文借助非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA来模拟海底悬空管道受锚击的动态响应过程，分析海底管道悬跨段受坠物撞击部位的塑性变形及悬跨管段的动力响应，同时讨论撞击速度、落物质量对管道塑性变形及动力响应幅值的影响。

海底悬空管道物理模型

1、模型参数

管道模型的参数设计参考海底管道工程设计参数，海底管道直径0.508m，壁厚0.0127 m。由于海流冲刷，海底管道出现悬空段，考虑管道与土的相互作用悬空段两端管土耦合边界取60倍的管径，管道材料为X 65，材料属性如表1。由于坠落物体形状不一，将坠落物简化为具有一定质量和初始速度的实心球体，半径取0.312m，将附加水质量以密度的形式加到坠落物体上。

表1 管道与锚的材料属性

2、有限元模型

采用具有大变形分析功能的壳单元建立管道模型。悬空段两端管土的相互作用采用弹塑性非线性弹簧来模拟；对于管土接触部分，在管道节点上连接定向非线性土弹簧；对管土耦合段管道两端采用等效边界，即以非线性弹簧的形式加在管道模型的两端，代替离悬空段较远处直线段管道的变形影响；悬空管道单元采用壳单元SHELL163单元，坠落物采用SOLID164单元，建立刚体模型，非线性弹簧单元采用COMBI165单元。

海底悬空管道落物撞击过程数值模拟

采用ANSYS/LS-DYNA 有限元动力分析软件对海底悬空管道锚击过程进行数值模拟。在ANSYS/LS-DYNA 前处理中建立管道-落物的接触碰撞有限元模型、加载并建立海底管道悬空段与锚撞击的主从接触面，生成K 文件后提交给LS-DYNA 求解器进行求解计算。

1、计算结果准确性验证

选取文献中关于管道吸收能量与管道凹陷值的公式计算管道的最大变形值，并同本文的仿真模拟结果进行对比。对比结果如图1，由图可知，模拟结果与经验公式的计算结果相比，曲线变化的趋势是一致的，计算值偏小。

2、管道凹陷变形时程分析

落物重为1000Kg，锚击速度为8m/s时，海底悬空管道受坠落物撞击，不同时刻的凹陷变形历程横截面图，图2。

管道遭受撞击首先发生弹性变形，受撞击部位，凹陷形成的同时管道的横截面形状由圆形变为椭圆形。随着撞击的继续，变形进入塑性变形区间。时间为0.0255s时，管道的凹陷变形达到峰值（0.035m）；接着坠落物开始回弹，管道上处于弹性区间的变形逐渐恢复，管道也由椭圆逐渐向圆形发展；当时间为0.063s时，由于悬空管道受撞击后会发生振动，管道与坠落物发生第二次碰撞，凹陷变形达到峰值（0.024m）；当时间为0.0885s时，管道与坠落物发生第三次碰撞，凹陷变形达到峰值（0.025m）；当时间为0.1155s时，管道与坠落物发生第四次碰撞，凹陷变形达到峰值（0.028m）；之后坠落物继续回弹，管道与坠落物不再发生碰撞，管道的凹陷变形也趋于稳定，最终在管道上方留下塑性变形凹痕。

结果分析，以坠落物碰撞中心位置，管道截面（即xoy平面）最上端的节点A与最下端的节点B的垂向位移的差值作为管道的凹陷变形值，见图3、4、5。

3、管道的冲击力时程曲线

坠物撞击海底管道是一个动态过程，管道的撞击力时间历程曲线如图6。由图可知，撞击力出现四次峰值，即管道与落物发生四次碰撞，这与管道凹陷时程曲线出现四次峰值相符。

海底悬空管道损伤的影响因素分析

引起海底管道坠物损伤的影响因素有很多，主要有撞击能量、坠物形状、管道混凝土保护层厚度、管道埋深等。本文主要分析撞击能量对海底管道坠物损伤影响，根据DNV规范中对撞击能量的描述，引起撞击能量变化的因素主要有坠落物质量及速度。在分析的过程中，采用管道受撞击后产生的损伤深度、悬空段产生的垂向位移值以及碰撞产生的碰撞力的大小来评价这些因素的损伤的影响程度。

1、坠落物撞击速度影响分析

计算相同坠落物质量，不同撞击速度对海底管道损伤的影响。计算时取海底管道悬空段长度为10m，计算模型的其他参数同前所述。不同撞击速度下管道的凹陷值、管道的振动幅值以及碰撞产生的撞击力分别如图7、8、9所示，由图可以得出：坠落物质量不变，随着速度的不断增大，管道的凹陷值不断增加，管道的振动幅值不断增加，管道应力增加，碰撞产生的撞击力不断增加。

2、坠落物质量影响分析

计算相同撞击速度下，不同坠落物质量对海底管道损伤的影响， 不同坠落物质量下管道的凹陷值、管道的振动幅值以及碰撞产生的撞击力分别如图10、11、12所示，由图可以得出：坠落物速度不变，随着坠落物质量的不断增大，管道受撞击部位的凹陷变形变大，管道的振动幅值不断增加，管道应力变大，碰撞产生的撞击力不断增加。

参考文献：

[1] DNV.Rules for Submarine pipeline Systems.DNV 1996. [S].

[2] DNV.Risk Assessment of Pipelines Protection.DNV-RP-F107.[S]

[3] Wierzbicki T，Suh M S. Indentation of tubes under combined loading[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 1988，30（3）： 229-248.

[4] 杨秀娟，闫涛，修宗祥，等.海底管道受坠物撞击时的弹塑性有限元分析[J]..工程力学，2011，28（6）： 189-194.

[5] 杨秀娟，修宗祥，闫相祯，等.海底管道受坠物撞击的三维仿真研究[J].振动与冲击，2009，28（11）：47-50.

（作者单位：海洋石油工程（青岛）有限公司）