浮式風機系泊區域局部強度分析

李 強， 劉 陽， 張 朝， 張春雷， 周 蕊

(北京高泰深海技術有限公司， 北京 100011)

浮式風機系泊區域局部強度分析

李 強， 劉 陽， 張 朝， 張春雷， 周 蕊

(北京高泰深海技術有限公司， 北京 100011)

對浮式風機系泊區域局部結構強度運用簡化船體梁法進行計算分析，借助有限元軟件對該區域局部結構進行有限元分析，描述建立這種復雜不規則模型時需要運用的技巧, 建立浮式風機系泊區域局部結構有限元模型,闡述浮式風機系泊區域局部結構有限元結構分析方法,以及在加載過程中應該注意的受力轉換，所得到的浮式風機系泊區域局部結構的分析結果滿足規范要求。

浮式風機；系泊區域局部結構；船體梁；有限元；結構強度

0 引 言

隨著全球對能源的巨大需求，風電行業作為新能源領域產業化程度最高的行業得到了高速發展，陸上風電開發已逐漸趨于飽和，海上風電則越來越受到重視，其中深海風電代表著未來海上風電發展的方向[1]。開發深海風能資源，由于水深的限制，采用傳統的固定式基礎將導致成本激增，且服役期滿拆卸不便[2]，而浮式風機具有開發不受水深限制，機動性好，方便維護等特點[3]。

近些年，計算機和我國海洋工程科學領域都得到了迅速發展，很多新型材料也不斷出現并得到廣泛應用，對于超出船級社規范計算公式范圍的平臺，有限元分析法就成為海洋工程結構物設計的重要計算工具[4]。為了對浮式風機向外伸出的系泊區域這一特殊的局部結構進行強度計算，本文參照美國船級社相關規范運用傳統的船體梁理論和有限元分析法進行結構強度計算。

1 建立模型

本浮式風機設定在南海海域作業，位置約東經110°38’，北緯8°37’，其距甘蔗島20 km，距達州島17 km，平均水深約135 m。浮式風機的基礎包括：3個立柱、1個中立柱、3個浮箱、3個垂蕩阻尼板和頂部連接支撐結構。浮式風機的三維模型如圖1所示。

圖1 浮式風機三維模型

浮式風機基礎主要參數如表1所示。

表1 浮式風機基礎主要參數 m

2 簡化船體梁計算方法

根據浮式風機系泊區域局部結構的特點和邊界條件，可以將其簡化為變截面的懸臂梁結構, 根據不同的工況將其簡化成不同的梁模型，并采用簡單梁的理論, 分析船體梁危險斷面處的各應力[5]。浮式風機系泊區域局部結構如圖2所示。

圖2 系泊區域局部結構

2.1 系泊區域局部結構受力分析和邊界條件

錨鏈作用在系泊區域的集中力載荷根據不同的工況分別為P1，P2，P3，其大小分別為60 t，380 t，640 t。根據規范得出甲板的計算壓頭h0=6.1 m, 得出均布載荷Q1= 536 800 N/m。結構自重也可近似為均布載荷，計算可得Q2= 1 234 640 N/m。

對于簡化成懸臂梁的系泊區域局部結構，一端可認為是剛性固定，3種工況懸臂梁的受力和邊界條件如圖3～圖5所示。

圖3 靜態工況懸臂梁受力

圖4 操作工況懸臂梁受力

圖5 極限工況懸臂梁受力

2.2 懸臂梁應力計算結果

懸臂梁受力最大的位置在剛性固定端，所以, 首先計算固定端的剖面模數, 然后用懸臂梁理論所求的力計算出該處的上甲板和外板下端的彎曲應力值。計算結果如表2所示。

表2 懸臂梁應力值

根據美國船級社船體梁相關規范，許用彎曲應力值分別為：靜態和操作工況[σ]=244.8 N/mm2，極限工況[σ]=315.3 N/mm2。由計算結果可知，結構所受應力小于許用應力，結構強度滿足強度要求。

3 有限元計算方法

將浮式風機系泊區域局部結構簡化為一個懸臂梁，可以粗略地分析該結構的整體受力和最危險的受力點，卻無法計算出橫向、扭轉和局部強度。所以，進一步應用有限元法來精確計算該區域的強度是十分有必要的。

3.1 強度校核方法和分析對象

浮式風機基礎局部強度分析建立在結構有限元分析的基礎上，該分析方法包括美國船級社最新規范和浮動結構最新受力分析技術，并在這種計算分析過程中使用最先進的有限元計算軟件程序。結構計算分析中所施加的載荷、環境條件和所采用的安全系數，應滿足美國船級社的相關要求。分析所用的強度理論與簡化船體梁計算方法所用的理論相同。

結構強度的分析對象為浮式風機基礎局部結構，包括與系泊結構相關的部分外板和甲板結構以及為了保證強度的加強結構[6]。

3.2 有限元結構分析模型

依據浮式風機基礎結構圖紙及導纜器、止鏈器和下放滑輪的局部加強圖紙，創建各局部結構的三維有限元模型。導纜器區域：模型水平范圍包括矩形柱FR 20～FR 44，模型垂直范圍包括矩形柱EL. (+) 16 000～EL. (+) 25 000。止鏈器區域和下放滑輪區域：模型水平范圍包括從矩形柱FR 20～FR 44，模型垂直范圍包括矩形柱EL. (+) 25 000～矩形柱的頂部。3個區域的有限元結構模型如圖6～圖8所示。

圖6 導纜器區域有限元模型

圖7 止鏈器區域有限元模型

圖8 下放滑輪區域有限元模型

在建立的有限元模型中采用板殼單元和梁單元。除此之外，還要對有限元模型進行簡化，如距離系泊區域較遠處的甲板或艙壁上的開口和小肘板等。這一簡化過程，既是出于其對結果影響極小的考慮，如忽略遠離受力區域的開孔等，也是出于保守的考慮，如忽略較小的肘板等。系泊設備的相關構件只建立模型，而不考慮其本身的受力情況，只是為了使加載載荷時與實際加載情況更加接近。

3.3 邊界條件

3個模型的邊界均約束3個方向的位移和3個方向的轉動，如圖9～圖11所示。

圖9 導纜器區域邊界條件

圖10 止鏈器區域邊界條件

圖11 下放滑輪區域邊界條件

3.4 載荷工況

根據浮式風機基礎系泊分析報告以及浮式風機不同環境條件下各種不同載荷的作用情況，計算工況可分為靜態、操作和極限工況[7]。

靜態工況：在環境條件為靜態條件時收放錨鏈的工況。此時錨鏈力的大小為60 t，錨鏈力主要作用在下放滑輪上，止鏈器和導纜器幾乎不受錨鏈的作用力。因此，在靜態工況條件下只分析下放滑輪區域的強度。

操作工況和極限工況：在環境條件為操作和極限條件時錨鏈固定在止鏈器上的工況。此時錨鏈力的大小分別為380 t和640 t，錨鏈力主要作用在止鏈器和導纜器上，下放滑輪幾乎不受錨鏈的作用力。因此，在操作和極限工況條件下只分析止鏈器和導纜器區域的強度。

不同的工況分別加載相應的總體載荷與局部載荷，包括垂向彎矩、舷外水壓力與液艙液體壓力等內部載荷和環境載荷[8]。

3.5 計算結果評估

利用有限元軟件，對已建立的浮式風機基礎系泊區域各局部結構模型進行靜態、操作和極限工況下的分析計算，參照美國船級社規范[9-10]關于局部應力校對準則的相關章節，各個工況的應力值滿足規范要求。

以上3種工況的結構最大應力詳細結果如表3所示，導纜器、止鏈器和下放滾輪區域結構的各工況應力云圖如圖12～圖16所示。從應力云圖可知，在操作工況和極限工況下導纜器區域結構的最大受力點都在與導纜器位置相對應的浮體結構內部強構件與水密艙壁交界處；止鏈器區域在操作工況和極限工況下最大受力點都在止鏈器位置相對應的浮體結構內部強構件上；下放滑輪區域在靜力工況下最大受力點在下放滑輪下的甲板上。簡化船體梁計算方法中懸臂梁最危險截面固定端處，并沒有出現較大的應力，這是由于甲板及其內部的主結構承擔了大部分的力，只有非常少的受力傳遞到邊界處。邊界處的應力值遠遠小于材料的許用應力值，所以，無需為了系泊的作用力把邊界處再做加強，只需加強各系泊設備周圍的結構即可。

表3 各工況最大應力值及其與許用應力的比

圖12 導纜器區域操作工況von Mises應力云圖

圖13 導纜器區域極限工況von Mises應力云圖

圖14 止鏈器區域操作工況von Mises應力云圖

圖15 止鏈器區域極限工況von Mises應力云圖

圖16 下放滑輪區域靜態工況von Mises應力云圖

4 結 論

本課題對浮式風機系泊區域局部結構利用簡化船體梁計算方法和局部結構三維有限元直接計算方法進行結構強度計算，并參照美國船級社規范的相關章節分析系泊區域局部結構的強度，對計算結果進行詳細的對比和分析。由分析結果得出如下結論：浮式風機系泊區域局部結構滿足規范的要求,從而滿足各工況下的安全使用。以上的強度分析過程和方法，包括載荷工況的選取和應力的校核等，可以對同類型浮式平臺系泊區域局部結構設計和強度分析起到一定的參考作用。

[ 1 ] 姚興佳，隋紅霞，劉穎明，等.海上風電技術的發展與現狀[J].上海電力，2007,20(2):111-118.

[ 2 ] 黃維平，劉建軍，趙戰華.海上風電基礎結構研究現狀及發展趨勢[J].海洋工程，2009,27(2):130-134.

[ 3 ] 李榮富, 朱海飛.大型海上浮動式風機基礎設計方法研究[C]//北京國際風能大會，2013.

[ 4 ] 熊志鑫.船體結構有限元建模與分析[J].海洋工程裝備與技術，2015(5)：331.

[ 5 ] 熊志鑫, 賈考軍, 佟福山. "海豹6號"震源船懸尾結構強度分析[J]. 艦船科學技術, 2010, 32(4):19-22.

[ 6 ] 呂濱, 張虹宇. 海洋風電場風機基礎的設計分析[J]. 船海工程, 2012, 41(2):155-160.

[ 7 ] 鄧慧靜.海上浮式風機平臺穩性及錨泊系統性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

[ 8 ] 嵇春艷,于雯,沈晴晴.半潛式平臺總體強度計算和關鍵結構極限強度計算方法研究[J].造船技術, 2012(1):8-12.

[ 9 ] ABS.Commentary on the Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures [S].2016.

[10] ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units (2016) [S].2016.

Local Strength Analysis of Moored Area of Floating Wind Turbine

LI Qiang， LIU Yang， ZHANG Zhao， ZHANG Chunlei， ZHOU Rui

(COTEC Offshore Engineering Services (Beijing), Beijing 100011, China)

The local structure strength of the mooring area of the floating wind turbine is calculated and analyzed by simplified hull girder method. The local structure of mooring area is analyzed with finite element method. Some useful techniques is described while building complex and irregular models. The local structure of mooring area finite element model is established and the finite element analysis is described. The force conversion should be paid attention to during loading. The analysis results of the local structure of the mooring area of the floating wind turbine meet the requirements of the code.

floating wind turbine; local structure of mooring area; hull girder; finite element; structural strength

李 強(1981-)，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程方面的研究

1000-3878(2017)04-0035-05

U662

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