海上高速雙體風電維護船結構方案及其強度分析

謝云平，魏 利，糜成杰，張裕堂

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003； 2.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011)

0 引 言

風力發電是新能源中技術最成熟、最具規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一[1]。對于海上風電場，尤其到達深水地區的機組進行維護非常不便，運行風險也非常大[2]。海上風電發展比較先進的歐美等國家，一般使用小型單體或雙體的船舶接送人員出入以及進行日常的風電機組維護工作。

雙體船是指具有2個相互平行的船體(片體)，其上部用強力構架(連接橋)連成一個整體的船。不同于單體船，雙體船的型寬較大，長寬比較小，故一般而言總縱強度易于保證；當雙體船遭遇橫浪時，雙體船遭受非常大的橫向載荷[3]；雙體船遭遇斜浪時，片體將承受波浪扭矩[4]，雙體船將出現扭轉。因此片體和連接橋承受巨大的橫向彎矩及扭矩，其橫向強度、扭轉強度和彎扭組合強度[5]是結構設計的技術關鍵。

根據文獻[6]，中速雙體船結構多采用全橫骨架式；而文獻[8]則建議高速船采用混合骨架(片體縱骨架式、 連接橋甲板橫骨架式)。為探討合理的雙體船結構方案，本文在針對某維護船進行2種不同結構架式的結構方案，在橫向強度、扭轉強度及彎扭組合強度分析的基礎上，進一步對結構方案進行調整，以尋求結構重量較輕且強度有保證的結構方案，以滿足海上風電維護高速、安全的性能和使用要求。

1 結構方案構思

本雙體維護船由單層連接橋甲板將2個片體聯接而成，片體設有5道橫艙壁。根據文獻[7]，針對片體的結構方案進行設計。圖1是2個不同結構方案的主甲板平面和典型橫剖面。

圖1 主甲板及橫剖面Fig.1 Plan of deck and section

2 結構強度分析

2.1 模型及邊界條件

1)模型

考慮到本船上層建筑長度、寬度較小，處于安全考慮，模型取主甲板以下全船結構，建模采用空間板梁單元模擬。片體外板、甲板板、連接橋板、艙壁和主要強構件腹板等采用二維3，4節點板單元模擬，普通骨材用梁單元模擬。本船材料為普通船用鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，屈服強度σs=235 MPa，材料密度ρ=7.85×103kg/m3。整船有限元模型如圖2所示。

2)邊界條件

參照文獻[8]，為不影響船體各部分相對變形，使用6個位移分量約束限制全船模型的空間剛體運動。在縱中剖面上取首尾各一點A和B，中部舷側取一點C。約束A點的x，y，z三個位移分量，約束B點的y，z位移分量和約束C點的在z向位移分量(見圖3)。

圖2 整船有限元模型Fig.2 Finite element model for the whole ship

圖3 邊界條件Fig.3 The boundary condition

2.2 載荷及工況

1)載荷

一般而言，雙體船由于其長寬比較小，外載荷主要是在橫浪狀態下的橫向載荷和斜浪狀態下的扭轉載荷，其計算和施加按文獻[8]進行。

總縱彎矩MBY：雙體船在迎浪航行時，船體受沿船長方向不均勻分布的重力和浮力而產生彎曲，在船體各橫剖面受到縱向彎矩和剪力。船體總縱彎矩沿船長按正弦分布，通過施加沿船長方向分布的垂向力實現。

總橫彎矩：雙體船在橫浪時，船體受沿船寬方向不均勻分布的重力和浮力而產生彎曲，在船體縱剖面特別是連接橋部位受到橫向彎矩和剪力。計算時總橫彎矩等效為橫向對開力Fy，分向外和向內2個獨立工況計算。

扭轉Mty：雙體船在斜浪時，片體因不同步的縱搖引起對橫向的扭矩。將扭矩等效為沿半船長反對稱分布的均布載荷，將均布載荷p等效為集中力，施加于縱向主要構件上。

2)工況

雙體船結構強度分析中，不僅要考慮船的橫向彎曲、扭轉，還要充分考慮到彎扭組合情況。按文獻[8]給出的工況組合，加上扭矩Mty單獨作用，對載荷工況進行計算，如表1所示。

表1 雙體船計算工況

表2 各工況下最大計算應力

2.3 結果分析

根據文獻[8]可知，板單元許用等效應力為164.5 MPa，梁單元許用正應力為157.5 MPa，板單元許用剪切應力為89.3 MPa。

圖4 LC7工況下最大應力位置Fig.4 The position of maximum stress under LC7

通過以上11種工況下的有限元分析，最大應力出現在與片體橫艙壁相對應的連接橋強橫梁處(見圖4)，且2種結構方案應力相差不大。具體計算結果如表2所示。

此外，根據結構模型，全橫骨架式方案結構重量較混合骨架形式輕。

3結構調整與分析

3.1 結構調整

通過對上述有限元計算結果分析，全橫骨架式結構和混合骨架式結構應力在部分工況下均不滿足強度要求，考慮全橫骨架式方案結構重量較輕，故針對全橫骨架式方案進行結構調整。

方案1 將連接橋甲板結構交替設置的強橫梁改為每檔設置，結構尺寸不變；

方案2 將對應于片體橫艙壁的連接橋甲板強橫梁尺寸增大，其他結構尺寸不變。

3.2 結構比較

根據調整方案分別修改模型并針對以上不滿足工況作重點計算(見表3和圖5)。從計算結果看出，雙體船在彎曲扭轉組合工況7與工況8下受力最大，但方案2受力情況要優于方案1，且方案2的結構重量較方案一輕(約輕400 kg)。

表3 各工況下最大計算應力

圖5 LC7全船應力云圖Fig.5 The stress contours of the hull under LC7

3.3 結構方案確定

在對連接橋結構進行調整時，方案2在應力水平和結構重量上均優于方案1，故采用方案2的方式進行加強。

4 結 語

通過2種結構方案和結構調整方案的有限元計算結果，得出以下結論：

1)全船有限元計算分析表明，全橫骨架式結構強度優于混合骨架式結構，且全橫骨架式結構重量較輕。

2)通過調整后的結構方案分析比較，調整后的結構方案均滿足強度要求，采用方案2的方式能夠有效的降低與片體橫艙壁相對應連接橋強橫梁的應力，且方案2的結構重量較輕，該結構調整方案可行。

3)針對雙體船承受較大的橫向彎曲及橫向扭轉彎曲的特點，在進行雙體船結構設計時可采用全橫骨架式結構，采用加強對應于片體橫艙壁的連接橋甲板強橫梁的方式來保證其結構強度滿足要求。

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