海上風(fēng)機(jī)吊裝船全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

韓 強(qiáng) 姚震球 陳家旺 楊新利

（1.浙江海鹽縣港航管理處 嘉興 314300；2.江蘇科技大學(xué) 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

風(fēng)電機(jī)組的安裝是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。如何打造一個(gè)能夠在海洋環(huán)境中風(fēng)浪流共同作用下，高效、安全地完成風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)的海上工作平臺(tái)，是各國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的重要課題。

自航自升式海上風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)船是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的第三代吊裝平臺(tái)，具備自航、自升、運(yùn)輸、起重等綜合功能，工作效率高，經(jīng)濟(jì)效益也高，已成為海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)主流裝備。這種新型船舶具有升降樁腿、大起重量的吊機(jī)、較大的甲板荷載等特點(diǎn)。長(zhǎng)深比和寬深比均已超出現(xiàn)行規(guī)范要求，目前國(guó)內(nèi)尚無專門規(guī)范可用于直接指導(dǎo)該船型的設(shè)計(jì)，故對(duì)其進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析很有必要。

1 船型及結(jié)構(gòu)形式

1.1 主要參數(shù)

本文中的海上風(fēng)機(jī)吊裝船主船體為駁船箱型船體，主體部分有較長(zhǎng)的平行舯體，船寬較大；船尾為方艉，首部線型趨于V型，有球鼻艏，以改善耐波性，提高快速性；沒有脊弧和舷弧。其主要參數(shù)如下：

1.2 船體結(jié)構(gòu)形式

該船為單甲板、單底、縱骨架式駁船箱型全焊接鋼質(zhì)海上風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)船，尾部3漿，首部球鼻艏處有兩個(gè)側(cè)推，全船肋距600 mm，縱骨間距625 mm，船體留出安放4根樁腿的開口，結(jié)構(gòu)之間保持良好的連續(xù)性和有效地連接。

1.2.1 縱向主要構(gòu)件

（1）縱中剖面處設(shè)有縱中艙壁，在左右兩側(cè)距縱中艙壁7 500 mm處各設(shè)一道縱艙壁；在橫向強(qiáng)框架處，有垂直桁材對(duì)縱艙壁進(jìn)行加強(qiáng)，每個(gè)縱艙壁設(shè)置5道縱骨；舷側(cè)外板設(shè)置6道縱骨，另外全船設(shè)置有48根支柱。

（2）縱向強(qiáng)框架的間距為3個(gè)縱骨間距。內(nèi)龍骨與甲板縱桁各12道，上下、左右對(duì)稱布置，分別位于距中縱艙壁1 875 mm、3 750 mm、5 625 mm、9 375 mm、11 250 mm、13 125 mm 處。

1.2.2 橫向主要構(gòu)件

（1） 除去Fr.0尾封板，在Fr.7、Fr.19、Fr.40、Fr.64、Fr.88、Fr.118和Fr.133處布置有7道水密橫艙壁，并在船首樁腿處左右兩舷各增加兩道短橫艙壁。對(duì)橫艙壁在縱向強(qiáng)構(gòu)件穿過的位置設(shè)置垂直桁材，縱骨穿過的位置處設(shè)置加強(qiáng)筋。

（2）實(shí)肋板、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等組成的橫向強(qiáng)框架間距為3個(gè)肋距。

另對(duì)吊機(jī)基座外板設(shè)置12根強(qiáng)扶強(qiáng)材。

2 全船有限元模型

2.1 坐標(biāo)系

本船采用右手坐標(biāo)系。原點(diǎn)取在Fr.43縱中剖面基線處；x軸沿船長(zhǎng)方向，向艏為正；y軸沿船寬方向，向左舷為正；z軸為型深方向，自基線向上為正。

結(jié)構(gòu)模型建立和載荷施加過程中采用N、mm、s的單位制。

2.2 單元?jiǎng)澐?/h3>

按照本船的型線，各構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸、板厚等均采用MSC.PATRAN軟件建立三維有限元計(jì)算模型，見圖1。

模型中主要采用以下兩種單元：

2.2.1 板殼單元

用來模擬船體中的甲板、船底板、舷側(cè)外板、縱橫艙壁、安放樁腿處船體板等板殼結(jié)構(gòu)和船底龍骨、實(shí)肋板、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、桁材等腹板高度比較大的強(qiáng)構(gòu)件以及腹板高度大于300 mm的肘板等。板殼單元大多采用四邊形單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡。

2.2.2 梁?jiǎn)卧?/p>

用來模擬板殼結(jié)構(gòu)中腹板高度小于300 mm的縱骨、橫艙壁加強(qiáng)筋、支柱等桿件結(jié)構(gòu)，以及縱桁、實(shí)肋板、強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨、強(qiáng)扶強(qiáng)材等強(qiáng)構(gòu)件的面板和肘板的折邊等。

有限元網(wǎng)格的大小保持在一個(gè)縱骨間距三個(gè)單元的量級(jí)水平，使得結(jié)構(gòu)單元比較精細(xì)。主要構(gòu)件上的四邊形單元邊長(zhǎng)比不超過1∶2，在連接過渡的地方采用了少量三角形單元［1］，共316 332個(gè)節(jié)點(diǎn)、391 762個(gè)單元。

為了建模的方便，模型中對(duì)首尾結(jié)構(gòu)以及上層建筑進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略了船體結(jié)構(gòu)中一些小的肘板、開孔等次要因素；另外，為模擬吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)、樁腿與船體連接處結(jié)構(gòu)以及風(fēng)機(jī)各部件在甲板裝載處并施加相應(yīng)的載荷，采用了33個(gè)多點(diǎn)約束（MPC）。

3 計(jì)算工況及邊界條件

3.1 計(jì)算工況

為了比較全面地考核本船船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及各主要構(gòu)件的穩(wěn)定性，分別計(jì)算了本船在滿載航行、靜水起吊和自升后起吊三種狀態(tài)下船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形。其中自升后起吊是重點(diǎn)考察對(duì)象。

不同的狀態(tài)和環(huán)境組合出10種工況，如表1所示：

3.2 邊界條件

船舶是一個(gè)漂浮體，處于平衡力系之下，但沒有對(duì)剛體運(yùn)動(dòng)的約束。而有限元位移法分析要求結(jié)構(gòu)的剛體運(yùn)動(dòng)被限制，以便計(jì)算結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形。為此，必須給船體加上適當(dāng)?shù)募s束，令船體不做剛體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也不能限制船體變形，不能影響全船結(jié)構(gòu)的受力，這樣求出的相對(duì)變形與內(nèi)力才是真實(shí)的［2］。

3.2.1 滿載航行和靜水起吊狀態(tài)

船體結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)十分復(fù)雜。一般而言 ，如果結(jié)構(gòu)是以彎曲為主 ，在兩端中和軸附近的節(jié)點(diǎn)施加類似簡(jiǎn)支的約束比較合理［3］。約束點(diǎn)的選取應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離將來所關(guān)心的應(yīng)力位置。本船整體模型被約束了兩個(gè)位置，一個(gè)在船尾

尾封板處中和軸位置，對(duì)該部位的節(jié)點(diǎn)約束x、y、z三個(gè)方向的位移；另一位置在防撞艙壁處中和軸位置，約束y、z兩個(gè)方向位移。

3.2.2 自升后起吊狀態(tài)

為了模擬風(fēng)機(jī)吊裝作業(yè)船在樁腿自升、船體抬離水面后進(jìn)行起吊的真實(shí)狀況，對(duì)樁腿與船體連接處外板進(jìn)行約束。選擇樁腿處外板與船底相交的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，在此四個(gè)部位的節(jié)點(diǎn)均約束x、y、z三個(gè)方向的位移。

表1 計(jì)算工況說明

4 載荷計(jì)算

4.1 空船重量

4.1.1 船體鋼料重量

本船船體鋼料重量1 921.69 t，計(jì)算模型中網(wǎng)格比較均勻，板厚總體相差不大，可將結(jié)構(gòu)自身重量等效為所有節(jié)點(diǎn)上作用的集中力；或以慣性力g的形式進(jìn)行加載，本船以g的形式施加。

4.1.2 舾裝重量

本船舾裝重量653.37 t，可將其分散在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，以等效的集中力加載［4］。計(jì)算模型中共316 332個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的集中力為20.24 N。

4.1.3 機(jī)電重量

本船輪機(jī)設(shè)備重量199.64 t，按輪機(jī)及主要設(shè)備在船上所處的位置區(qū)域以MPC的形式作用在對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上。

4.1.4 食品淡水重量，燃油、滑油及爐水重量

本船淡水20.44 t，燃油、滑油298.2 t，分別以面壓力的形式施加到模型對(duì)應(yīng)艙室的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)中。

4.1.5 壓載水重量

根據(jù)總布置圖，本船設(shè)置6個(gè)壓載水艙以對(duì)浮態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在Fr.7～Fr.40設(shè)置4個(gè)，在Fr.134～Fr.143設(shè)置2個(gè)。滿載情況下，首部壓載160 t，尾部壓載 640 t。

4.2 風(fēng)載荷

本海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸?shù)跹b船為一艘近海施工的船舶，其設(shè)計(jì)適航環(huán)境為：浦氏6級(jí)、風(fēng)速10.8～13.8 m/s、浪高3～4 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速V取值為13.5 m/s。

由文獻(xiàn)［5］風(fēng)壓P可按下式計(jì)算：

作用于構(gòu)件上的風(fēng)力F應(yīng)按下式計(jì)算，并應(yīng)確定合力作用點(diǎn)的垂直高度

式中：P 為風(fēng)壓，kPa；

S為平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；

Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；

Cs為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)。

按上述公式計(jì)算得到波浪航行、自升后起吊狀態(tài)下船體、上層建筑、起重機(jī)、樁腿以及風(fēng)機(jī)（塔筒、機(jī)艙、輪轂葉片）等部件所受風(fēng)載荷。船體及其構(gòu)件的風(fēng)載荷按照2種方式施加到有限元模型上［6］：

（1）對(duì)于船體、上層建筑等板結(jié)構(gòu)，按式（1）計(jì)算的風(fēng)壓施加到模型上；

（2）對(duì)于起重機(jī)、樁腿、風(fēng)機(jī)各部件等，按風(fēng)力引起的彎矩施加到模型上；

4.3 吊機(jī)、風(fēng)機(jī)及樁腿自重

4.3.1 起重機(jī)自重

本船吊機(jī)重量約 500 t（其中吊臂 160 t），以MPC的形式加載到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上。吊臂自重及自重引起的彎矩與吊臂所受風(fēng)載荷引起的彎矩共同作用后得到吊機(jī)基座承受的力和彎矩。

4.3.2 樁腿自重

單根樁腿自重180 t，每個(gè)樁腿通過三組齒輪齒條實(shí)現(xiàn)船體升降，每組齒輪可采用2個(gè)MPC來模擬，計(jì)24個(gè)MPC。樁腿處承受的壓力可將其分散在每個(gè)MPC上，以等效的集中力加載。

（1）靜水起吊和波浪航行時(shí)，樁腿處外板每個(gè)MPC承受的載荷為294 kN；

（2）自升后樁腿處外板每個(gè)MPC承受的載荷為2 204.36 kN。

4.3.3 風(fēng)機(jī)自重

設(shè)計(jì)單程運(yùn)輸量：3套單機(jī)容量3 MW的風(fēng)機(jī)，華銳SL3000-90型風(fēng)電機(jī)組。采用“三葉式”的方式進(jìn)行裝載運(yùn)輸。

在船長(zhǎng)方向上左舷依次放置兩個(gè)機(jī)艙，右舷放置一個(gè)。機(jī)艙重量以面積力的形式施加。其風(fēng)載荷引起的彎矩忽略。上、中下塔筒，輪轂和風(fēng)葉的“三葉式”組合體，分別采用7個(gè)MPC單元模擬，施加在相應(yīng)的風(fēng)機(jī)部件與甲板結(jié)構(gòu)相接觸的節(jié)點(diǎn)上。從船尾到船首、左舷到右舷的方向，分別是上塔筒、中下塔筒，上塔筒、中下塔筒，中下塔筒、上塔筒，三套輪轂葉片組合體。如圖2所示。

4.4 舷外水壓力

計(jì)算中分別考慮了靜水、波浪水動(dòng)壓力2種舷外水條件，以面壓力的形式進(jìn)行加載。

4.4.1 滿載靜水狀態(tài)

根據(jù)滿載狀態(tài)下的重量數(shù)據(jù)（包括空船重量、油水和吊重載荷）計(jì)算吃水，形成舷外水壓力的函數(shù)，通過定義與垂向坐標(biāo) z線性相關(guān)的域（field）函數(shù)施加船體各單元節(jié)點(diǎn)處。

4.4.2 滿載波浪狀態(tài)

波浪狀況下舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成［7］，舷外水壓力函數(shù)為：

其中：L為船長(zhǎng)，m；D為型深，m；d為設(shè)計(jì)吃水，m。

5 計(jì)算結(jié)果

通過有限元靜力分析，船體結(jié)構(gòu)板單元最大應(yīng)力結(jié)果匯總于表2；表3給出了部分主要構(gòu)件的最大應(yīng)力結(jié)果。除部分工況下的基座處板殼、實(shí)肋板與縱艙壁強(qiáng)扶強(qiáng)材外，各主要構(gòu)件的應(yīng)力分量滿足文獻(xiàn)［7］所列的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，在自升后起吊狀態(tài)下，船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平較高，見下頁圖3。其主要構(gòu)件應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，如圖5、圖6。圖4為3.5工況下整船位移云圖。

6 結(jié) 語

對(duì)海上風(fēng)機(jī)吊裝船的全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析表明：

（1）參照目前的CCS規(guī)范，設(shè)計(jì)完成的海上風(fēng)機(jī)吊裝船結(jié)構(gòu)，其部分構(gòu)件應(yīng)力較大，接近甚至超出材料應(yīng)力。因此對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝船進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算與分析，對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行校驗(yàn)是必要的。建議有關(guān)部門盡快制定海上風(fēng)機(jī)吊裝船專門規(guī)范，對(duì)設(shè)計(jì)工作予以指導(dǎo)；

（2）在自升后起吊狀態(tài)下，船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平較高。波浪航行、靜水起吊狀態(tài)下的工況明顯不危險(xiǎn)，為了減小計(jì)算本身以及數(shù)據(jù)處理和分析的工作量，可以忽略那些明顯不危險(xiǎn)的工況；

（3）較高的應(yīng)力水平（而不滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)）基本上都是由應(yīng)力集中造成的局部強(qiáng)度不夠；

（4）應(yīng)力處于超界狀態(tài)的區(qū)域大部分集中在吊機(jī)基座處以及主體與樁腿的連接部位；在船體自升后起吊的狀態(tài)下，樁腿處船底板剛性固定，船體應(yīng)力集中現(xiàn)象最為突出，這部分結(jié)構(gòu)，既要傳遞巨大豎向載荷，又要承受和抵抗風(fēng)載荷產(chǎn)生的水平載荷。依據(jù)文獻(xiàn)［7］所列的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，與船體縱向強(qiáng)構(gòu)件相比，橫向強(qiáng)構(gòu)件更難滿足強(qiáng)度要求；

（5）從本船的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，上層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平不高，沒有超界板梁?jiǎn)卧?，因此直接?jì)算時(shí)，模型中可以對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化甚至忽略（但是必須考慮其重量）；

（6）本文依據(jù)文獻(xiàn)［7］中的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行校核，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的選擇對(duì)于風(fēng)電船來說有一定的局限性。

［1］王利永.船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度全船有限元計(jì)算研究［D］.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006：9-95.

［2］姜橋.集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究［D］.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009：58-93.

［3］張少雄、楊永謙.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算中慣性釋放的應(yīng)用［J］.中國(guó)艦船研究：2006（2）：58-61.

［4］任思揚(yáng).工程船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算及優(yōu)化研究［D］.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006：15-75.

［5］CCS.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［S］.人民交通出版社，2005.

［6］馬網(wǎng)扣，羊衛(wèi).CPoE-62自升式作業(yè)平臺(tái)整船強(qiáng)度入級(jí)計(jì)算［J］.上海造船：2008（1）：17-22.

［7］CCS.散貨船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南［S］.人民交通出版社，2003.