雙體交通運維船有限元強度分析

羊 衛，趙 園，陸響輝

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引言

海上風力發電作為可再生能源開發的重要方向之一，已經成為深遠海智能海洋牧場、超大型海上浮式基地建設和海上石油鉆探等海上重大項目重點研究的能源供給方式之一。目前，海上風電已成為全球關注的焦點。我國沿海風能資源開發潛力較大，為加快海上風電的發展，部分沿海地區海上風電場已投入運營[1]。隨著海上風電場運營數量的不斷增加，專門用于其日常維護工作的運維船需求量將出現逐年遞增的趨勢。

目前，國內海上風電運維船以專業雙體運維船最為適用。該型船具有甲板面積大、布置寬敞、穩性好、吃水淺、航速較高，能承受較大風浪能力等特點，可確保運維工作順利實施和保障海上作業人員的安全，同時雙體船還具備操控性良好、使用可靠、維修方便等特點，可保證海上風電運維工作能高效完成并降低海上風電廠的日常運營成本[2]。本文研究的37 m雙體交通運維船主要承擔海上風電日常巡查、維護、交通等工作。該船結構主體部分包括：兩個瘦長型的平行片體(單體船)以及抗扭箱和連接橋，后者布置在兩片體上部中間，將兩個片體通過焊接等方式牢固地連接在一起，起到“扁擔”效應。相比于單體船，雙體船的船長型深比很小，船體具有足夠的總縱強度和剛度，因而其縱向承載能力具備一定的儲備。一般對于船長小于50 m的雙體船可以不進行總縱強度校核[3]，但當雙體船遭受90°浪向角和45°或135°斜浪時，兩片體之間的連接橋將會承受較大的總橫力矩和扭轉力矩載荷。因此，在結構設計時，必須充分考慮整船尤其是連接橋結構的總橫強度和扭轉強度，以保證雙體船總強度達到規范及設計的要求。

本文基于有限元分析方法，對雙體交通運維船進行總強度分析計算。根據規范[4]中相關要求，通過設計波法，采用SESAM水動力軟件計算出雙體船總橫彎矩和扭轉力矩的長期預報值，計及其他相關載荷，對本船總橫強度和扭轉強度開展分析。通過分析本船整船的應力分布情況，對雙體船結構優化提出建議，為船體輕量化和局部結構加強提供有益參考。

1 主要參數及有限元模型建立

1.1 主要參數介紹

37 m雙體交通運維船為雙機、雙槳、雙舵型雙體船，其參數為：垂線間長37.2 m，型寬10.4 m，片體寬3.2 m，型深3.8 m，設計吃水1.8 m，肋距0.5 m，梁拱0.1 m，設計航速15 kn，航區為近海航區。本船主要建造材料為CCSA鋼，采用橫骨架式建造，兩單船體之間的抗扭箱和連接橋結構也采用橫骨架式。

CCSA鋼參數為：密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，屈服強度235 MPa，彈性模量2.06×105MPa。

1.2 船體濕表面及整體結構有限元模型

采用MSC.Patran完成整船有限元模型的構建，其中采用三角形單元、四邊形單元來模擬甲板、舷側板、船底板、船體縱桁腹板、艙壁板、連接橋甲板、連接橋抗扭箱底板、連接橋橫隔板等殼板結構，采用梁單元來模擬縱向骨材、加強筋、桁材面板等。37 m雙體交通運維船有限元模型包括主甲板以下整船結構。按右手坐標系法則建立坐標系，其原點位于兩片體艉封板連線中點基線處。整船有限元模型總節點個數為32 659，單元個數為46 719。整船有限元模型如圖1所示。

圖1 整船有限元模型

2 邊界條件及載荷工況

2.1 邊界條件

根據規范[4]，采用的邊界條件如圖2所示。在連接橋上甲板中縱剖面上取艏、艉部點A和點B，片體中部點C，對A點約束X、Y、Z三個位移分量，對B點的Y、Z位移分量進行限定，對C點的Z向位移進行約束。

圖2 總體模型施加的約束條件

2.2 計算工況及載荷施加

按照規范要求，本船計算工況主要分為兩個：滿載出水時總橫強度計算工況(波浪的浪向角為90°)和滿載出水時扭轉強度計算工況(波浪的浪向角為45°或135°)。每個計算工況包括的載荷有：船員及行李重量、舷外靜水壓力、艙內淡水、燃油等液體壓力及總橫彎矩或扭轉彎矩。

2.2.1船員及行李重量

船員及行李重量按船員主要活動區域，對該重量進行均布近似處理。

2.2.2靜水壓力

舷外靜水壓力在船長方向以梯形分布，可根據艏、艉吃水位置來確定液面位置；在吃水垂直方向靜水壓力以三角形梯度變化。艙內淡水、燃油等靜水壓力在吃水方向也呈線性變化規律，在有限元模型上加載時以壓力場形式完成液壓載荷的施加。

2.2.3總橫彎矩及橫向對開力計算

當波浪為橫浪(浪向角為90°)時，雙體船將承受橫向彎曲載荷作用，在連接橋上將產生較大的橫向彎矩。根據規范[4]，連接橋的總橫彎矩可采取等效載荷施加的方式進行，即通過沿片體橫向強框架的中縱剖線上的節點來施加等效后的橫向對開力，其中橫向對開力fy按式(1)進行等效計算：

(1)

式中：Mbx為總橫彎矩；Z為橫向對開力作用點到連接橋中縱剖面中和軸的垂向距離；n1為包括橫艙壁在內的橫向強框架個數之和。

2.2.4扭轉彎矩及反對稱垂向均布力計算

當波浪為斜浪(浪向角為45°或135°)時，雙體船兩片體發生不同步縱搖，使船產生扭轉變形。根據規范[4]，雙體船扭轉力矩也可采取等效載荷來施加，即將扭轉力矩等效為反對稱分布在片體中縱剖面內的垂向均布力，垂向均布等效力關于雙體船中縱剖面反對稱，也關于中橫剖面反對稱，等效的垂向分布載荷pz由式(2)計算：

(2)

式中：Mty為扭轉彎矩；L為雙體船船長；n2為片體中前部或中后部所需施加的節點個數之和。

2.3 總橫彎矩和扭轉彎矩等效載荷施加

總橫彎矩和扭轉彎矩等效加載的關鍵是計算確定Mbx和Mty的值，可根據文獻[5]提供的經驗公式計算確定，也可根據設計波法計算得到橫浪或斜浪下總橫彎矩或扭轉力矩的長期預報值。本文采用第二種方法完成式(1)和式(2)中的彎矩計算過程。

2.3.1設計波參數確定

根據規范[4]，波浪載荷可采用設計波法來計算，應用SESAM水動力軟件的HydroD(WADAM)模塊分別計算90°、45°和135°浪向下的波浪彎矩的RAO(傳遞函數)。圖3為本船橫向彎矩和扭轉彎矩的傳遞函數。

獲取了橫向彎矩和扭轉彎矩載荷的RAO后，就可以對相應的載荷進行長期預報。根據挪威船級社提供的北大西洋波浪散布圖，利用相應的RAO，依據P-M波浪譜來模擬散布圖，運用二維韋布爾分布來擬合長期分布，最終對本船所受的兩個彎矩載荷分別進行長期預報。應用SESAM中的Postresp模塊，便可計算出相應波浪載荷的長期預報值，其結果見表1。

圖3 按設計波計算的波浪彎矩的RAO

表1 長期預報所得結果

從表1分析可知，當浪向角為45°時雙體船所受的扭轉力矩較大，確定橫向彎矩Mbx=3.08×106N·m，扭轉彎矩Mty=5.75×105N·m。

2.3.2等效載荷施加

根據所建立的整船模型，可確定式(1)中Z=3.95 m，n1=22，將其與橫向彎矩Mbx代入式(1)中，可求得對開力fy的值；將扭轉彎矩Mty、船長L、片體中前部節點個數77或片體中后部節點個數67代入式(2)中，可求得總橫扭矩作用下的等效反對稱垂向均布力。

3 計算結果匯總

將液壓載荷、90°橫浪及45°斜浪動壓力產生的波浪彎矩和整船運動的慣性力施加到整個雙體船有限元模型上，運用MSC.Nastran分析軟件便可求得整船應力分布結果。

本文根據規范[4]確定本船所用CCSA鋼的許用應力值，即等效應力許用值為200 MPa，剪切應力許用值為90 MPa。雙體交通運維船結構應力結果見表2。本船整船結構應力云圖、整體變形圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 整船等效應力云圖

圖5 整船變形云圖

表2結構應力結果匯總表MPa

計算工況橫彎扭轉等效應力剪切應力等效應力剪切應力校核結果片體甲板90.918.3滿足片體外板65.921.1滿足片體縱向構件62.732.514.86.95滿足片體橫艙壁184.077.136.814.10滿足片體橫框架161.072.324.810.10滿足連接橋甲板106.026.3滿足連接橋抗扭箱底板184.037.3滿足連接橋縱向構件42.923.291.523.00滿足連接橋橫向構件183.030.687.212.50滿足

4 結論

(1)根據表2中的應力結果數據可知，本船的總橫強度和扭轉強度滿足規范要求。

(2)在斜浪45°浪向角作用下，雙體船主要受扭轉力矩的作用。根據整船應力云圖和變形云圖可知，連接橋縱向構件和橫向構件是主要受力構件。此外，連接橋與兩片體相交接附近區域產生的應力響應也較其他部位大。在橫浪即90°浪向角作用下，連接橋橫向構件與片體橫向強構件如橫艙壁和橫框架產生的應力響應較其他區域大，最大應力達到了184 MPa。

(3)對比橫浪和45°斜浪作用下的應力響應結果可知，雙體船在橫浪工況下比較

危險，即雙體船總橫強度在船體設計時應作充分的考慮；而在斜浪作用下，雙體船受扭轉力矩的影響較小，說明本船具有較富余的扭轉強度。

(4)綜上分析可知：連接橋與片體相銜接附近區域的構件如橫梁、梁肘板、抗扭箱橫構件及靠近片體艏、艉部區域均受到較大應力，且變形也較大，因此對于該區域的構件應采取加厚加強處理。而片體中靠近船中部分的構件的應力和變形較小，因此在船體結構設計時可恰當協調片體中部區域構件的結構尺寸，以滿足結構輕量化的設計要求。

參考文獻：

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[3] 胡犇, 許晟, 梅國輝,等. 基于Patran的高速小水線面雙體船有限元結構強度分析[J]. 艦船科學技術, 2011, 33(10):46-49.

[4] 中國船級社. 國內航行海船建造規范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

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