異形風電平臺的橫向強度計算

李 雄，黃寶安，陳 強，郭 翔

(北京數碼易知科技發展責任有限公司，北京100007)

0 引言

海上風電具有清潔環保、資源豐富且不占用陸上土地面積等諸多優勢。為了實現“碳達峰”和“碳中和”目標，近年來，我國大力鼓勵開發和推廣海上風電能源，海上風電項目建設如火如荼。

某異形風電平臺為海上風電項目的配套海洋工程，主要用于整體運輸風力發電機的筒體、機頭、葉片及其基礎(以下簡稱“風電機組”)，即在岸邊將風電機組整體組裝完成，通過平臺運輸到海上指定風力發電場，并由平臺將風電機組一次性放置到位。該平臺主體是一艘非自航(在運輸過程中)駁船，設計了能夠搭載2臺風機的“H”型，艏艉分別開有適應筒形基礎的U型槽位，并依據筒體直徑及過渡段直徑尺寸設計成下寬上窄結構，能夠對筒形基礎進行三向約束，保證與船體運動同步。甲板上設置桁架結構，對風機高位進行固定，避免風機機頭橫搖而使機身與基座連接處產生應力集中。

由于該異形風電平臺外型新穎，結構形式特殊，為此本文采用有限元計算軟件MSC PATRAN/NASTRAN進行直接計算的方法來校核船體橫向強度。

1 船體強度理論

船體強度是指船舶的船體結構在規定條件下抵抗各種外力不致造成嚴重變形或破壞的能力[1]。研究船體強度，主要是為了保證船舶設計載荷滿足設計要求，確保船舶安全航行，并具有較為經濟的結構重量和較好的施工性。

1.1 總縱強度

船舶受到外載荷的作用會產生總縱彎曲。若船體結構的強度和剛性不足，會使船舶總體或局部的結構產生大變形，嚴重時可能會造成船體斷裂。把船體結構抵抗縱向彎曲從而使整體結構不遭受損壞的能力稱為總縱強度[2]。船體結構遭到嚴重的破壞后，船舶及人員的生命財產安全將會遭到威脅，故船舶的總縱強度是船舶設計、制造與運營過程中必須高度重視并密切關注的問題。

1.2 橫向強度

船舶漂浮在水中時，除了產生總縱彎曲外，同時也會產生橫向彎曲。橫向強度是指橫向構件(如肋骨框架和橫艙壁)抵抗橫向載荷不至破壞和永久變形的能力[2]。船舶在水中處于漂浮狀態時，除了要承受總縱彎矩的作用外,其橫向還會承受水的壓力和波浪對船體外板的沖擊力等外載荷。船體外板受到的水壓力隨著吃水的增加也逐漸增加,這樣對船體橫向強度也提出了更高的要求。另外,船舶在與其他船舶協同作業時,有可能因為操作失誤而出現相互碰撞的情況,因此對舷側部分的強度也有一定要求。

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文采用MSC PATRAN/NASTRAN計算軟件建立平臺模型。模型中長度單位采用mm，力單位采用N，質量單位采用t。平臺模型為空間板殼單元與梁單元的組合結構，其中：梁單元用于模擬平臺主體強橫梁、縱桁、艙壁垂直和水平扶強材、支柱、邊艙支柱等強力構件，主要采用2節點梁單元模擬；板殼單元用于模擬主甲板、底板、船體外圍板、艙壁板等結構，主要采用3節點和4節點板單元模擬[3]。全船采用普通鋼，桁架采用Q345鋼，材料屬性如下：楊氏模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.85×10-9t/mm3，普通鋼合成應力為235 MPa，Q345鋼合成應力為345 MPa。

2.2 模型范圍

由于該平臺在船體中部設有甲板室，船體中部甲板面上設有用來支撐風機的大型桁架結構物。桁架結構物的腳端坐落在左右兩舷邊上，其對橫向強度的影響非常大，且大型桁架本體的重力及其承受的風載荷等外載荷是不可忽視的。為了較為合理分析該平臺的橫向強度，本文根據中國船級社《鋼質海船入級規范》(2022)(下文簡稱《海規》)中橫向強度校核方法對該平臺船體橫向強度進行校核，加以考慮船體中部設有甲板室及大型桁架結構物對橫向強度帶來的影響。

模型1為一個典型艙段橫向強度模型，見圖1，橫向范圍為全寬模型，艙段模型的縱向范圍為肋位Fr42～ Fr128，垂向范圍為船體型深。模型2為保留桁架結構物及甲板室結構模型，見圖2。模型2橫向范圍為全寬模型，艙段模型的縱向范圍為肋位Fr42～ Fr128，垂向范圍從船底板至桁架頂面。計算坐標系采用笛卡爾直角坐標系：X軸正向為自船尾指向船首，Y軸正向為自右舷指向左舷，Z軸正向為自基線指向垂直正上方。

圖1 典型艙段橫向強度模型(模型1)

圖2 桁架結構物及甲板室結構模型(模型2)

2.3 邊界條件

按《海規》對有限元模型邊界條件取用原則的規定：模型前后兩端橫艙壁邊緣上所有節點均約束3個線位移(Dx=Dy=Dz=0)[4]。邊界條件見表1。

表1 邊界條件

本文中具體模型邊界約束見圖3和圖4。

圖3 邊界條件示意圖(模型1)

圖4 邊界條件示意圖(模型2)

3 計算工況及載荷

3.1 計算工況

根據《海規》要求，考慮下列2種計算情況：

對稱工況：甲板最大許用載荷+舷外靜水壓力+由外向內作用的兩舷對稱受壓的波浪動壓力[5]。

非對稱工況：甲板最大許用載荷+舷外靜水壓力+一舷由外向內、另一舷由內向外作用的反對稱波浪動壓力[5]。

綜上，本文設置4組計算工況，見表2。

表2 計算工況表

3.2 計算載荷

根據《海規》要求，橫向強度計算工況僅考慮甲板最大許用載荷和舷外水壓力的作用，不考慮船體梁彎矩作用。

根據圖紙資料，甲板載荷取為200 kPa，均布于甲板上。結構自重、定義加速度和材料屬性由軟件自動加入。

根據《海規》，舷外水壓力載荷(靜水壓力+波浪動壓)作用于船體外板[5]，并按如下要求計算：

PB=10d±1.5C

(1)

Pw=±3C

(2)

Ps=3P0

(3)

P0=C-0.67(D-d)

(4)

(5)

式中：PB為基線處的水壓，kPa；d為吃水，m；C為系數；Pw為水線處的水壓，kPa；Ps為舷側頂端處的水壓，kPa；P0為基準參考水壓，kPa；L為船長，m；D為型深，m。

為考慮橫向波浪作用沿船長局部范圍內產生的效果，在計算工況中采用施加在兩舷的不對稱的舷外水壓力來模擬。可假定在一舷側受到靜水壓力和波浪壓力的疊加作用，另一舷側受靜水壓力與反向波浪動壓的作用 (波浪系數取負值)，但計算值小于0時取0計入[5]。

載荷分布見圖5，載荷計算結果見表3。

C—系數；d—吃水；P0—基準參考水壓。

表3 計算載荷表

4 計算結果

4.1 強度衡準

根據《海規》要求，各個工況下，各構件的計算應力應不大于表4中規定的相應許用應力值。

4.2 校核結果

根據《海規》要求，有限元計算結果評估的取值范圍應基于模型中間的1個橫向強框架。本文模型1結果評估的取值范圍基于模型兩艙壁中間的1個橫向強框架；模型2的結果評估則基于模型中間的1道橫艙壁。結構強度有限元分析結果見表5。模型1垂直桁腹板和模型2艙壁板的最大相當應力云圖見圖6和圖7。

表4 許用應力 單位：MPa

表5 直接計算結果 單位：MPa

圖6 垂直桁腹板最大相當應力云圖(模型1)(單位：MPa)

圖7 艙壁板最大相當應力云圖(模型2)(單位：MPa)

通過表5可知：模型1中間的目標橫向強框架垂直桁最大應力在靠近甲板處，為123 MPa；強橫梁最大應力在與縱艙壁相交處，為170 MPa；模型2中間的目標橫艙壁最大應力在與縱艙壁相交處，為161 MPa。模型1和模型2的應力趨勢比較相近，最大應力在強支撐過渡處，由橫向載荷遇到強支撐結構而由結構突變導致應力突變。

5 結論

(1)該異形風電平臺的橫向結構的應力最大值位于中間艙與縱艙壁交界處，但均小于許用應力值，滿足中國船級社相關規范要求。

(2)本文研究的風電平臺已經投入使用，安全性能滿足要求。由于《海上移動平臺入級規范》(2020)對橫向強度沒有明確規定，文中結合中國船級社《鋼質海船入級規范》(2022)中橫向強度直接計算的相關要求，對該平臺進行直接強度計算。

(3)對于造型新穎、結構形式特殊的海上風機運輸安裝平臺，其主甲板上有大型桁架式結構，桁架結構重量較大，分布在平臺兩側，對平臺的橫向強度有較大的影響，需對該類型平臺橫向結構強度進行直接計算。