風機運輸甲板駁結構強度評估

李志杰，夏利娟（1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海　200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海　200240）

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風機運輸甲板駁結構強度評估

李志杰1,2，夏利娟1,2
（1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240）

摘要:風機運輸甲板駁是用于海上風機運輸的海洋工程輔助船，近年來隨著海上風力發電的興起而迅速發展。本文采用全船有限元直接計算和 CCS 規范計算2種方法對某風機運輸甲板駁的結構強度進行評估，計算表明該船結構強度滿足設計要求。本文的研究成果和結論對同類型風電安裝船舶的結構設計具有參考意義。

關鍵詞：風機運輸甲板駁；直接計算；結構強度

0　引　言

風能是一種清潔的可再生能源，其發電成本穩定，沒有碳排放等環境成本，在全球范圍內分布廣泛。隨著風電技術的發展，海上風力發電已經成為世界新能源發展的熱點，與海上風電機組運輸和安裝相關的設備需求也已開始顯現[1-3]。海上風機的整體運輸和吊裝可以采用大型浮吊及駁船的組合來完成[4]，而運輸甲板駁船的型線規則，船體肥大，在波浪中的運動幅值與受力較大；同時較多的甲板設備引起較大的甲板荷載，故而其結構強度值得關注。

本文以 92 m 限載2臺風機的運輸甲板駁為研究對象，采用全船有限元直接計算和 CCS 規范計算2種方法對其結構強度進行計算評估。全船有限元計算采用DNV 船級社開發的 SESAM 綜合軟件系統對其滿載到港和壓載到港2種典型作業工況下的波浪載荷進行預報[5]，進而進行強度計算；規范計算依照 CCS《鋼制海船入級規范》[6]2014 版中超尺度船舶的校核方法進行。

1　船型及結構形式

1.1主要參數

本文海上風機運輸甲板駁主船體為駁船箱型船體，主體部分有較長的平行中體，船寬較大；運輸聯合動力風機組時，主甲板船中處安裝有風機底座，同時兩舷側分別安裝井架并以平衡梁的方式固定風機，如圖1 所示。其主要參數如下：

船長 92.0 m；船寬 39.52 m；

型寬 5.50 m；設計吃水 3.80 m；

縱骨間距 0.52 m

圖1　風機運輸甲板駁總布置圖Fig. 1　The general arrangement of the deck bargewith offshore wind turbine

1.2船體結構形式

該船是單甲板、單底、縱骨架式鋼制海上風機運輸甲板駁。在 FR 12 及 FR 36 處甲板中部放置風機，主甲板以下主船體結構均設置圓柱形筒體結構，并通過一平臺與船底連接，以增強主船體結構的局部強度； FR 36 向前左右舷各設置 6 個壓載水艙， FR 36向后船中設置 3 個壓載水艙，以保證不同工況下的穩性。

1）縱向主要構件：縱中剖面設有艙壁，同時，FR 0～FR 30 左右舷各設2道水密縱艙壁；甲板、船底居中每隔 5 倍縱骨間距設置縱桁；

2）橫向主要構件：FR 6～FR 42 每隔 6 檔肋位設橫艙壁；除去首尾部分肋位，全船每隔 1.8 m 設置強框架。

2　全船有限元直接計算

2.1波浪載荷計算

本文波浪載荷的計算采用 Sesam 軟件中基于三維線性波浪理論的船體波浪動壓力 WADAM 計算模塊，波浪誘導載荷的預報統計分析采用 Postresp 模塊。

2.1.1有限元模型的建立

濕表面模型、質量模型的建立采用 PatranPre 模塊，分別以裝載甲板貨滿載到港（工況 Ⅰ）和裝載2臺風機壓載到港（工況 Ⅱ）2種裝載狀態作為計算工況，具體數據如表 1 所示。

濕表面模型主要以四邊形板單元建立，板單元大小以縱骨間距和肋距為基準，局部曲度變化較大的地方用少量三角形單元模擬。從而保證濕表面模型能夠在水動力學意義上準確描述實船的形狀。

表1　計算工況Tab. 1　Load cases

對于質量模型，采用四邊形和少量的三角形單元模擬船體結構中的各類板材以及主要構件的腹板；次要構件以及主要構件的面板采用梁單元模擬。甲板上設備采用質量點的方法以多點約束 MPC 的形式與船體結構連接；貨油、燃油以及壓載水通過質量點施加到相應艙室邊界節點上；甲板貨物以及風機、井架、風機底座、連接裝置以及平衡梁采用較密的虛梁模擬[7]。以此來保證質量模型能正確反應實船的質量及分布，以調節局部密度的方法來確保與實船質量誤差小于 0.1%，重心位置誤差小于船長的 0.1%。具體的模型建立，參照對應工況裝載手冊確定。

采用右手直角坐標系，原點位于 FR 26 各工況相應吃水縱中剖面處，X 軸向船首為正方向，Y 軸向左舷為正方向，Z 軸向上為正方向。全船結構的濕表面模型和質量模型如圖2 所示。

2.1.2波浪載荷的預報

計算作用于船體的波浪載荷常用的方法是譜分析法，即將波浪對船體的作用作為船體波浪響應系統的輸入，而船體的波浪載荷以及六自由度運動作為系統的輸出。對應于每種輸入輸出，得到相應的傳遞函數。將傳遞函數和實際海況波浪譜結合，得到船體載荷譜，即可得到船體受到波浪載荷的長期和短期預報值[8]。

本文水動力計算所取的波浪頻率位于 0 . 1 rad/s～2.0 rad/s 之間，間隔 0.1 rad/s，共 20 個頻率。浪向位于 0°～180° 之間，間隔 15°，共 13 個浪向，其中180° 為迎浪方向。選取自船尾至船首 FR 13，FR 18，FR 26，FR 30，FR 39 共計 5 個剖面，對各個剖面的波浪彎矩和波浪剪力進行預報。

1）滿載到港長期預報

船舶滿載運輸貨物時，采用長期預報，建立該工況的質量模型，選取北大西洋波浪散布圖，采用 P –M 波浪譜，指定所有浪向等概率，取 10–8 概率水平進行長期預報。不同剖面長期預報的彎矩和剪力值見表 2， FR 26 剖面的長期預報值如圖3 所示。

表2　工況 Ⅰ 波浪彎矩和剪力預報值Tab. 2　Prediction of wave bending moment and shear force under load caseⅠ

圖3　FR 26 剖面波浪彎矩長期預報值Fig. 3　Long-term prediction of wave bending moment of FR26

2）壓載到港短期預報

運載風機時，航行海域不是很惡劣，且為遮蔽航區，航行時段能夠得到控制，選擇短期預報。不同剖面短期預報的彎矩和剪力值見表 3，各浪向波浪彎矩短期預報如圖4 所示。

表3　工況 Ⅱ 波浪彎矩和剪力預報值Tab. 3　Prediction of wave bending moment and shear force for load case Ⅱ

圖4　工況 Ⅱ 各浪向波浪彎矩預報Fig. 4　Prediction of wave bending moment from different wave directions under load caseⅡ

2.2計算結果

依據傳遞函數預報，以船中處的垂向彎矩為控制載荷，得到最不利波浪，進而確定設計波參數。利用Sesam 軟件的 Sestra 模塊對船體結構進行應力以及變形計算，再用 Xtract 模塊可視化，甲板和船底最大Vonmises 應力計算結果如表 4 所示，舷側外板和縱艙壁板剪應力計算結果如表 5 所示，工況 Ⅰ 應力分布計算結果如圖5 所示。

3　規范計算

3.1波浪載荷計算

依照 CCS《鋼制海船入級規范》2014 版[4]超尺度船舶強度校核的規定，波浪載荷可以通過對基于線性波浪理論計算的波浪彎矩和波浪剪力進行非線性修正得到。

文中 2.1 波浪載荷計算的濕表面模型網格的數量為3 569，質量模型與實船質量誤差小于 0.1%，重心位置的誤差小于船長的 0.1%，均符合規范中的基本要求。故而規范計算的波浪載荷可參照 2.1 中計算結果，直接進行非線性修正即可。

表4　直接計算最大 Vonmises 應力結果/MPaTab. 4　The maximal vonmises stress result from direct calculation/Mpa

表5　直接計算最大剪應力結果/MPaTab. 5　The maximal shear stress result from direct calculation/Mpa

圖5　工況 Ⅰ 直接計算結果Fig. 5　The result from direct calculation for load caseⅠ

3.1.1波浪彎矩的計算

中拱波浪彎矩 MW（+）和中垂波浪彎矩 MW（–）應按照下列公式計算：

式中：MW,cal基于線性波浪理論直接計算得到的，在 0.4 L～0.6 L 之間垂向波浪彎矩的最大值；M 參照規范選取的彎矩沿船長分布系數；fnl-h，fnl-s非線性修正系數。

波浪彎矩的計算結果如表 6 所示。

表6　規范波浪彎矩計算值Tab. 6　Wave bending moment from specificationapproach method

3.1.2波浪剪力的計算

中拱波浪剪力 FW（+）和中垂波浪剪力 FW（–）應按下列各式計算：

式中： Fnl,1， Fnl,2為考慮非線性修正后剪力沿船長方向的分布系數； FWV,max應按下式計算：

其中， FWV,CAL,A為 x/L ＜ 0.5 各剖面的波浪剪力直接計算值， kN； FWV,CAL,F為 x/L ≥ 0.5 各剖面的波浪剪力直接計算值， kN。

波浪剪力的計算結果如表 7 所示。

3.2計算結果

總縱彎曲應力按下式計算：

式中：MS為靜水彎矩，kN·m；MW為波浪彎矩，kN·m；WC為計算點處的剖面模數， cm3。

表7　規范波浪剪力計算值Tab. 7　Wave shear force from specificationapproach method

總縱剪切應力按下式計算:

式中：FS為靜水剪力，kN；FW為波浪剪力，kN；S 為中和軸以上靜矩，cm3；I 為水平中和軸的慣性矩，cm4；δ 為參照規范定義的系數。其中，靜水彎矩采用Napa 軟件獲得，各剖面的剖面慣性矩采用中國船級社的 Compass 軟件計算。各剖面的計算結果如表 8 和表9 所示，σd和 σb分別表示甲板處和龍骨處的總縱彎曲應力。

表8　總縱彎曲應力計算結果/MPaTab. 8　The result of longitudinal bending stress/Mpa

表9　總縱剪切應力計算結果/MPaTab. 9　The result of longitudinal shear stress/Mpa

4　強度校核及結果分析

4.1強度校核

按照規范，本船船體梁的許用彎曲應力和許用剪切應力按照下述要求確定：

船中 0.4 L 區域

船端 0.1 L 區域

其余區域用線性內插法求得。

其中 K 為材料系數，本船取 1。

全船有限元直接和規范計算得到的結果均小于規范規定的許用值，故該船能夠滿足強度的設計要求。

4.2結果分析

依據全船有限元直接計算及規范計算的結果進行分析，得到以下結論：

1）直接計算表明，工況 Ⅰ 船底板處彎曲應力較甲板板處大，而最大應力出現在 FR 32 距中 18.2 m處，此處為船底縱桁與船底縱骨的交界處，即結構形式出現變化的位置。此外，在船底外板的縱艙壁間斷處（FR 30 距中 11.2 m）也出現了較大應力。可見，結構設計時應充分關注構件尤其是縱向構件的連續和漸變性，否則很可能會出現應力集中的現象；

2）直接計算中，工況 Ⅱ 為遮蔽航區，雖然與工況 Ⅰ 相比，海浪環境較好，但甲板局部應力值依然比工況 Ⅰ 大，尤其在風機和風機井架的部位，風機設備的慣性載荷影響較為明顯。可見，甲板運輸船舶在運輸特殊的工程配套設備時，對其進行強度分析的必要性；

3）除去直接計算中局部載荷的影響，船底板應力值均高于甲板板，與規范計算結果趨勢一致；

4）分析比較2種方法的計算結果可知，全船有限元直接計算可以反映全船結構應力分布，但計算工作量大；規范計算雖然僅能反映計算剖面處的應力分布，但由于在相同區域的應力計算結果與全船直接計算結果相當，因此，只要選取足夠的典型剖面，完全可以替代全船有限元直接計算，從而大大減少計算成本。

5　結　語

風電安裝甲板駁運輸船的應用越來越廣泛，船舶設計規范已不能完全滿足設計要求，特別是在運輸特殊的工程配套設備時，更要對其進行強度分析。本文采用全船有限元直接計算和規范計算2種方法對一風機運輸甲板駁強度進行分析，分析方法和結果對此類船舶的總強度校核有較好的參考意義。

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Research on structure strength evaluation of deck barge with offshore wind turbine

LI Zhi-jie1,2, XIA Li-juan1,2
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

Abstract:The deck barge with offshore wind turbine is a type of ocean engineering auxiliary vessel with carriage functions for offshore wind turbine. With the emergence of offshore wind power,the development of this kind of engineering vessels have boomed in recent years.In this paper, direct calculation of the whole ship and specification approach method according to the CCS rule were used to evaluate the structure strength of one deck barge with offshore wind turbine. The results show that the strength of the barge fulfills the requirements demanded. The main research results of this paper are helpful for structural design of similar vessels.

Key words:deck barge with offshore wind turbine；direct calculation；structure strength

作者簡介：李志杰(1990–)，男，碩士研究生，主要研究方向為船體結構強度與動力學分析。

收稿日期：2015–08–17； 修回日期：2015–09–06.

文章編號：1672–7619(2016)03–0031–06

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.007

中圖分類號：U674.3

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