半潛駁改裝海上風機吊裝船結構強度評估

徐永超，夏利娟

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

半潛駁改裝海上風機吊裝船結構強度評估

徐永超，夏利娟

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

海上風機吊裝船是具備運輸、起重功能的用于海上風電設備安裝的海洋工程船。本文將1艘半潛駁船改裝成海上風機吊裝船，利用有限元軟件對該船在拖航、坐底及吊裝等典型作業工況下的結構強度進行計算分析，得到船體結構的應力分布及變形情況。計算評估方法和結果可為半潛駁改裝海上風機吊裝船的結構強度評估、改裝方案可行性論證提供依據，也對類似船舶的改裝設計開發具有參考價值。

海上風機吊裝船;結構強度;有限元

0 引言

風電機組的安裝是一項復雜的系統工程［1］，也是海上風電場建造的關鍵技術之一。要在海洋復雜環境下，安全、高效、經濟地進行風機安裝，則需要1個專用的海上作業平臺。海上風機吊裝船是海上風機安裝的主要工具，近年來已得到廣泛應用［2～5］。

我國近海海域遼闊，風能資源豐富，海上風力發電場是未來發展的重點。為運輸和吊裝更大功率的海上風機組，需要有更大運載能力的運載工具，也對海上風機的運輸和安裝平臺提出更高的要求。國內在此方面有過成功的工程實踐。在上海東海大橋百兆瓦海上風電示范項目中，中交三航院將1艘駁船改裝成海上風機運輸安裝船，成功運用于3 MW風力發電機組的運輸和安裝工作。本文在東海大橋半潛駁改造項目的基礎上，選用1艘半潛駁船改裝成為海上風機吊裝船，以運載更大功率的海上風機組。由于目前尚無專門的規范指導該類型改造船舶的設計，因此本文對此改裝船進行結構強度評估進行計算和研究，為改裝方案的可行性論證提供依據。

1 半潛駁船船型特點及改裝后的結構形式

1.1 船型特點

該半潛駁船為鋼質、箱型船體、主甲板上四角設平衡塔樓、無梁拱、方甲板、圓舭，可在近海海域進行半潛作業以及在無限航區進行拖帶，為非自航無人甲板半潛駁。

1.2 船體改造

該半潛駁船在加裝起重機設備后，由拖輪拖航至近海工作海域，然后坐底進行風機的吊裝工作。改造設計主要是加裝起重機設備，起重機由4條井架支撐，4條井架布置于半潛駁船Fr24～Fr26及Fr30～Fr32肋位，左右舷呈對稱布置，并在井架與半潛駁船體聯接處進行結構加強。為保證起重機在拖航時的安全，在左首平衡塔上設置起重機吊重臂擱架。改造后的半潛駁船總布置如圖1所示。

圖1 改裝后的半潛駁船總布置圖Fig.1 The general arrangement of the semi-submersible barge after retrofitted

2 全船有限元模型

結構有限元模型應能正確反映船體結構的剛度特點［6］。本文利用MSC.PATRAN軟件對全船結構、井架以及基座等結構進行詳細的有限元建模，包括整個船長、船寬范圍內的船體結構，采用了板殼元和梁單元組合模型。

船體結構的慣性特性采用分布質量來處理，即根據單元的質量密度參數，由程序自動處理和分配到相關的節點上去。燃油及壓載水等則通過質量點的形式加載到模型上。

全船有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 全船有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of entire vessel

圖3 全船結構有限元模型 (主甲板以下）Fig.3 Finite elementmodel of structures under upper deck

3 計算工況

選取拖航出港、拖航到港、坐底作業3種典型工況作為計算工況，各計算工況的載荷情況描述如表1所示。

表1 計算工況Tab.1 Load cases

4 載荷計算及加載

4.1 空船重量

1）船體重量

船體重量包含主船體重量和首尾平衡塔重量等。船體結構自身以慣性力的形式加載。另外，起重機以及為支撐起重機而設置的井架、基座、擱架以及其他附屬設備等重量，均采用集中質量點的方法，均勻加載到相應的節點上。

2）壓載水、燃油及淡水重量

本船共設置23個壓載水艙，3個淡水艙，2個燃油艙。根據各計算工況的裝載情況，將壓載水、淡水和油水等等效為集中質量，均勻地加載到各壓載水艙內的底板節點上。

4.2 舷外水壓力

計算中考慮靜水壓力，以面壓力的形式進行加載。根據各計算工況的吃水位置情況，建立壓力場函數，按照水深情況加載到船體外板濕表面的板單元上。

4.3 波浪彎矩

在拖航出港及拖航到港工況時，船體需計及波浪彎矩。為實現設計方案論證階段的多方案比較，本文采用簡化方法完成波浪載荷的計算和施加，根據中國船級社《鋼質海船入級與建造規范》［7］的相關規定。考慮到近海拖航，波浪彎矩可以折減5%。

船中中拱波浪彎矩的數值為:

式中:M為彎矩分布系數;C為系數;L為船長，m;B為船寬，m;Cb為方形系數;

波浪彎矩MW的施加，通過分布載荷施加到全船有限元模型強框架的外板節點上，從而實現了波浪彎矩載荷的施加［8］，如圖4所示。

圖4 分布載荷的加載方法示意圖 (以FR77為例）Fig.4 Schematic diagram of loadingmethods of distributed load(Take FR77 for example）

4.4 吊重載荷

在坐底作業工況時，起重機將進行吊重作業。吊重作業時，起重機產生吊重彎矩通過多點約束MPC的方法，施加到有限元模型的相應位置。

4.5 船底支承力

在坐底作業工況時，船體將下沉直至坐底于海床上，進行吊裝作業。此工況下，船體的底板將承受海床的支承力，船底支承力的計算簡化模型如圖5所示。

圖5 船底板支承力計算簡化模型Fig.5 Simplified calculation model of supporting force on bottom plate

根據力的平衡，有:

式中:ΔF為船體總重量與浮力的差值;b為船底板寬度;f1和f2為船底支承力的計算簡化模型兩端面的支承力;Mx為起重機吊重載荷彎矩。由幾何關系，船底板支承力沿船寬方向的分布力為:

將船底支承力簡化為壓力，建立支承力場函數，按照分布施加于船底板相應的板單元上。

5 計算結果及分析

通過全船結構有限元計算分析，各計算工況下船體結構板單元相當應力、板單元剪切應力以及梁單元相當應力的最大應力計算值如表2所示，對應的全船結構應力計算結果云圖如圖6～圖8所示。各許用應力值參考規范［9］中所提供的強度標準。

表2 各計算工況下各結構最大應力Tab.2 Themaximum stress of structure component in all conditions

圖6 拖航出港工況全船應力云圖Fig.6 The stress nephogram of hull under trailing(Departure）condition

圖7 拖航到港工況全船應力云圖Fig.7 The stress nephogram of hull under trailing(Arrival）condition

圖8 坐底作業工況全船應力云圖Fig.8 The stress nephogram of hull under diving condition

從計算結果可知，船體各主要構件的應力均滿足文獻［10］所規定的強度標準。在拖航出港、拖航到港、坐底作業3種典型工況中，坐底作業工況時的全船應力水平最高，應力較高的區域主要集中在起重機機架與半潛駁船甲板聯結處，這是因為在坐底作業工況下，此區域結構需要承受起重機及其附屬結構的豎向載荷，還要抵抗吊重風機作業時所產生的水平方向彎矩。由以上分析結果可知，該半潛駁改裝海上風機吊裝船的結構改裝設計方法具有可行性。

6 結語

本文在東海大橋百兆瓦海上風機運輸安裝船成功改造的基礎上，將1艘半潛駁船改裝成海上風機吊裝船，通過對該船的拖航、坐底及吊裝等典型工況進行結構強度分析和評估，得到船舶改造設計的可行性方案，以期獲得更大的風機運載能力。本文的研究成果為同類型海上風機運輸安裝船舶設計的可行性方案研究提供了依據，也為此類船舶的改裝設計積累了經驗，對相應的規范制定具有較好的參考價值。

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Research on structural strength evaluation of w ind turbine installation vessel retrofitted from sem i-submersible barge

XU Yong-chao，XIA Li-juan
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

The offshore wind turbine installation vessel is a type of ocean engineering vessel with carriage and lifting functions for offshore wind power equipment installation.In this paper，a Semisubmersible barge was retrofitted into an offshore wind turbine installation vessel.By analyzing typical operation conditions of trailing and diving，the stress distribution and the deformation are obtained with the help of finite elementmodel.The evaluationmethod and calculation results are helpful for structural strength assessment and retrofit plan feasibility study of this vessel，aswell as the retrofit design and development of similar vessels.

offshore wind turbine installation vessel;structural strength;finite element

U674.3

A

1672－7649(2014）05－0011－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.003

2013－11－20;

2014－03－28

國家自然科學基金資助項目(50909060）;海洋工程國家重點實驗室青年創新基金資助項目(GKZD010059－20）

徐永超(1986－），男，碩士研究生，研究方向為結構強度計算分析。