潮流電站載體結構強度直接計算

李 軍

（山海關造船重工有限責任公司，河北秦皇島 066206）

0 引言

潮流發電是一種新型的潮汐能利用技術[1]，潮流發電具有不占用土地、不受氣候影響、不污染環境、建設周期短、經濟性好、潛能巨大等特點，在我國具有廣闊的發展前景。漂浮式潮流發電站是潮流電站的一種[2]，這種電站采用載體搭載水輪機和發電機組漂浮在海面上，載體是漂浮式發電站的關鍵組成，載體漂浮在水面上時要承受多種載荷的作用，這些載荷對于載體的安全性，乃至潮流電站的安全發電均提出了挑戰，在此情況下迫切需要針對漂浮式潮流電站載體進行全船的強度校核[3-4]。

漂浮式潮流電站的載體作為一種新型結構形式，沒有現成的規范可以借鑒，因此本文將潮流電站載體作為一種船體結構，利用有限元分析軟件ANSYS，建立潮流電站載體有限元模型，參考船舶行業相關規范[5-6]，采用直接計算的方法選取典型工況進行潮流電站載體整體有限元分析，得出的結論旨在為潮流電站方案設計的可行性提供必要的技術支持。

圖1 潮流電站基本結構圖

1 有限元模型

1.1 坐標系設置

潮流電站結構圖見圖1，模型總體坐標系的原點O取在尾垂線處，x軸向船艏為正，y軸向左舷為正，z軸垂直向上為正。

1.2 建模原則

按照本船的型線，各構件設計尺寸、板厚、截面、開孔等，建立結構的有限元模型[6]。計算模型單元分類為：1）板（shell）單元：甲板、外殼板、底板、橫艙壁、縱艙壁等構件中的板殼結構、連接肘板等；2）梁（beam）單元：尺寸較大且連續的縱骨、加強筋、扶強材等。有限元模型的網格縱向以肋骨間距為基準，橫向以縱骨間距為基準，艙壁最底部單元一般情況下盡量劃分為正方形單元，四邊形單元邊長比不超過1:3。

按上述建模原則，參照相關圖紙建立有限元模型如圖2所示。

1.3 材料屬性

船體所用材料為普通船用鋼材，其材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

2 載體所受載荷分析

計算時，以不同浪向角方式，共選取浪向角為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七個工況。本模型施加的載荷主要包括水輪機上所產生的載荷和由靜水壓力和波浪動壓力構成的舷外水壓力[8-9]。其中，水輪機上所產生的載荷取為極限流速2.03m/s情況下的額定100KW功率輸出時、低速轉動（扭矩最大）和飛逸（流向載荷最大）條件下所產生的載荷。波浪動壓力采用三維線性勢流理論，由HYDROSTAR軟件計算完成，具體為取浪向角為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七個工況，分別計算出各工況在設計波下的波浪載荷。波浪載荷施加示意圖如圖2所示。

圖2 結構有限元模型

圖3 有限元模型載荷加載圖

3 屈服強度校核

屈服強度校核主要分析潮流電站載體平臺在極限環境條件與極限作業條件下受最不利組合載荷作用下結構抵抗塑性破壞的能力[10]。即強度條件為：

式中：σ工作為結構在外載作用下的工作應力；[σ]為材料許用應力；Fy為結構材料的危險應力，取材料的屈服極限；F.S.為安全系數，根據載荷工況和變形特征（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）參照規范選取。漂浮式潮流電站載體采用低碳鋼（Mild）建造，其材料換算系數K分別為1.0。根據相關規定[5]，許用應力如表2所示。

其中，相當應力由下式確定：

式中：σx、σy分別為沿X方向和沿Y方向的面內應力；τxy為面內剪應力。

表2 板許用應力（MPa）

表3 設計板厚情況下全船模型屈服強度評估結果

圖4 各工況下應力云圖

表3給出了各個工況下結構的最大應力以及與許用應力相比結果，各工況應力云圖如圖3所示。

從表3的計算結果和圖4所示的應力云紋圖中可以看出，各浪向角下，應力較大部位主要集中于甲板、底板和舷側外板，但都沒有出現較高的應力集中現象和超出許用應力的情況。載體結構滿足強度要求。

4 屈曲強度校核

屈曲強度是分析潮流電站載體平臺在極限環境條件與極限作業條件下的平臺結構的穩定性，是保證潮流電站載體平臺安全性的重要方面[11]。本文根據規范要求，分別計算了0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°這幾種載荷工況下，甲板和底板板格的屈曲強度，板格選擇這幾種工況下分別對應的危險部位。

4.1 模型建立

規范中規定[5]，若總縱彎曲強度采用板梁組合模型的有限元法進行直接計算，則強力甲板和船底板應計算在雙向軸向壓應力和剪應力作用下的屈曲強度。且一般情況下應采用板的中面應力，進行板的屈曲強度計算。對強力甲板和船底板的屈曲強度計算，計算板厚為實際板厚縮減后的板厚。屈曲計算根據不同載荷工況的計算結果，在沿船長（強力甲板或船底板）方向最大中面應力區域處，選取兩縱骨與兩強橫梁、兩橫梁與兩縱桁、兩實肋板與兩縱骨、底肋骨與縱桁中的一種所圍成的板格進行。對選定的計算板格的應先減縮板厚，然后重新劃分網格，格各邊應大于等于8個網格，盡量采用正方形網格。

4.2 載荷施加及邊界條件

在有限元計算模型中，取出船長方向最大中面壓應力區域處計算板格的中面應力計算結果σx、σy、τxy，將其乘以板格未縮減前的板厚得到各板邊的計算載荷，然后在相應的邊界上分別進行計算載荷的施加。

邊界條件：選取板格四個邊界的中點。在縱向邊界中點節點處施加縱向線位移約束，即ux=0。在橫向邊界中點節點處施加橫向線位移約束，即uy=0。在四個邊界的全部節點上施加垂向線位移約束，即uz=0。加載邊界后的板格模型如圖5所示：

圖5 加邊界條件的板格模型

4.3 板格屈曲強度分析要求

有限元屈曲計算所得的臨界屈曲因子λ應滿足：

式中，K為板格周界約束修正系數，且對于橫骨架式板格，當板邊是普通骨材時，K=1.0；當板邊是組合肋板或單底實肋板時，K=1.15；當板邊是雙層底實肋板時，K=1.20；對于縱骨架式板格取K=1.0。

本文中，因模型甲板和底板均屬于縱骨架式板格，故取K=1.0。

4.4 分析結果

根據前面的計算方法對于漂浮式潮流電站載體的甲板和底板板格進行屈曲強度分析，結果如下表4所示。

表4 屈曲因子λ計算結果

從表 4的計算結果可以看到各個角度下甲板和底板均滿足Kλ≥ 1 .0的要求，故載體結構滿足屈曲強度的要求。

5 結束語

本文參照相關規范，采用直接計算法對潮流電站載體結構的屈服、屈曲強度進行計算分析。給出了各個分析工況下的結構最大工作應力值及部位和屈曲強度校核結果。同時由分析結果可知，潮流電站載體結構滿足《規范》的要求。文中所得結論可為潮流電站載體結構的設計提供參考。

[1]戴軍, 單忠德, 王西峰等.潮流發電技術的發展現狀及趨勢[J].能源技術, 2012, 31(2): 37-41.

[2]王志超.漂浮式潮流電站總體方案設計[D].哈爾濱工程大學, 2011.

[3]Wang Shujie, Yin Kejin, Yuan Peng.Design and stability analyses of floating tidal current power generation test platform[C].APPEEC, 2010.

[4]Jing Fengmei, Zhang Liang, Jiang Jin, Xiao Chuanfang.Optimal selection of floating platform for tidal current power station[C].ICCSIT, 2011, 8.

[5]中國船級社.船體結構強度直接計算指南[S].北京:人民交通出版社, 2009.

[6]中國船級社.鋼質海船入級與建造規范[S].北京: 人民交通出版社, 2009.