海上綜合試驗平臺結構設計及環境載荷研究

田 力，王 潔，張岳林

(1.海軍潛艇學院，山東 青島 266011；2.武漢第二船舶設計研究所，山東 青島 266102；3.同濟大學 建筑工程系，上海 200092)

0 引言

目前，能源問題是擺在世界各國面前的首要問題，開發和利用代替能源特別是可再生能源已刻不容緩。在可再生能源中，風能、潮流能、太陽能作為清潔能源愈來愈受到重視[1]。在我國，已有多個“863計劃”項目涉及風電、潮流發電及光伏發電的開發與利用。雖然陸上風電及光伏發電技術已日漸成熟，但海上風電及光伏發電仍處于試驗研究階段。設計一個能綜合潮流發電、風力發電和光伏發電的試驗平臺具有十分重要的意義，可大大降低試驗場地的建造成本，并能順利完成各項試驗任務。

為此，本文依據設計任務書，并通過自主創新，研制了外形新穎的六邊形半潛式海洋綜合試驗平臺。但其浮筒與立柱的間距較大，且多采用撐桿相連，撐桿的強度和穩定性至關重要。本文在已有總布置的基礎上對其進行結構設計，并無先例可循，因此具有十分重要的研究和實用意義。

1 技術設計

在海上綜合試驗平臺初步完成平臺選型、主尺度確定、總布置設計和重量重心估算等相關工作的基礎上，基于ABS的《海上移動鉆井單元(MODU)建造與入級規范》[2](下文簡稱《MODU規范》)的相關內容，對海上綜合試驗平臺進行結構設計。

1.1 總布置設計

本文研究的海上綜合試驗平臺需要在平臺上綜合完成風力、潮流、光伏發電的3項試驗目標。風力發電通過2個風機實現。潮流發電通過4個葉輪實現，且平臺具有較大的甲板面積，供安置太陽能電池板及試驗場地，并由浮筒承載風電機組。該方案可降低工程造價，節約成本，外形簡單合理美觀。

本文的海上綜合試驗平臺主尺度如下：

長度40.0 m，寬度59.0 m，型深8.5 m，吃水5.5 m，立柱尺寸2 000 mm×1 500 mm×750 mm，撐桿1半徑為500 mm。

1.2 基于ABS規范的結構設計

1.2.1 鋼材料的選取

平臺鋼材的選用直接影響平臺的使用安全、壽命和造價。海上綜合試驗平臺采用AH36高強度鋼，其材料特性如下：

屈服應力355 MPa，密度7 850 kg/m3，楊氏模量2.06×105MPa，泊松比0.3。

1.2.2 板的設計

根據ABS規范計算得到的最小設計板厚和平臺不同結構的板厚見表 1。加強筋和橫梁設計結果見表2。

表1 平臺結構板厚規格表

表2 平臺骨材規格表

2 平臺環境載荷計算

在海洋工程領域，環境載荷一般由風載荷、海流載荷及波浪載荷構成。海上綜合試驗平臺長期系泊于固定海域中作業，因此在結構設計之初合理確定海洋環境條件顯得尤為重要。環境載荷計算的準確性將影響到后續的屈服、屈曲強度及疲勞強度校核。

2.1 波浪載荷

本文基于三維勢流理論和Morison理論，采用設計波法計算海上綜合試驗平臺在單位規則波中的結構響應和運動響應[3]。

2.1.1 水動力模型的建立

首先，利用SESAM軟件的Genie模塊建立海上綜合試驗平臺的濕表面模型(見圖 1)和莫里森模型(見圖2)。其次，生成T1.FEM、T2.FEM有限元模型文件后，分別導入到HydroD模塊Wadam設置向導中。HydroD水動力模型見圖3。

圖1 濕表面模型

圖2 莫里森模型

圖3 水動力模型

2.1.2 水動力分析

水動力分析中，剖面載荷是分析的關鍵，因此要對海上綜合試驗平臺進行切片，設置載荷剖面。分別沿平臺的X、Y方向設置載荷剖面。沿平臺X方向選取X=1、19、39 m 3個位置設置3個典型的YOZ剖面，依次為101、102、103剖面，其中102剖面為典型中橫剖面。同樣地，沿平臺Y方向選取Y=-11、0、11 m 3個位置設置3個典型的XOZ剖面，依次為201、202、203剖面，其中202剖面為典型中縱剖面。海上綜合試驗平臺6個典型剖面見圖4。

圖4 6個典型剖面示意圖

為計算海上綜合試驗平臺6個典型剖面的剖面載荷，采用浪高為1 m的單位規則波，計算縱向剪力、橫向剪力、扭矩、垂向彎矩這4個主要載荷參數的響應幅值。對剖面載荷分析結果通過列表整理后搜索最大幅值，可以得出剖面載荷主要載荷參數最大幅值對應的頻率和浪向角，見表3。

表3 典型剖面載荷最大值搜索結果

2.1.3 波浪載荷長期預報

基于SESAM軟件的POSTRESP模塊對海上綜合試驗平臺進行波浪載荷長期預報。本文選用中國沿海海浪散布圖資料對平臺的設計載荷進行長期預報。海上綜合試驗平臺的設計壽命為25 a。一般情況下平臺所受到的波浪載荷循環次數為n=108，對應長期預報值見表4。

表4 設計波波幅確定

2.1.4 設計波系統的確定

4種設計波的參數見表5。

表5 不同主要載荷參數下設計波相關參數

上述4種設計波較為全面地反映了海上綜合試驗平臺所受到的極限波浪工況，分別考慮了迎浪、橫浪和斜浪3種主要工況下平臺的波浪載荷，并對平臺的中垂中拱、壓縮分離和扭轉進行了考慮。

2.2 流載荷的計算

本文流載荷的計算參照《MODU規范》中的第3部分船體建造與設備部分的相關內容完成[2]。

2.2.1 流速

流速由風海流流速、潮流流速和風暴涌流流速3部分構成。計算流速時應考慮作業海域流速的垂向分布。流速可以用如下公式表示：

(1)

式中：Vc為流速， m/s；Vt為潮流流速，方向與風的方向一致，m/s；Vs為風暴涌流流速， m/s；Vw為風海流流速， m/s；h為風海流的參考深度， m(當缺少其他資料時，h取5 m)；z為水質點在靜水面以下的垂直距離。

流速剖面示意圖見圖5。

Vt—潮流流速；Vs—風暴涌流流速；Vw—風海流流速；h—風海流的參考深度；z—水質點在靜水面以下的垂直距離；d—海平面到海底的距離；x—海平面以上的高度；x(+)—波峰到海平面的高度，x(-)—波谷到海平面的高度。

2.2.2 海流力

當只考慮海流對海上綜合試驗平臺的作用時，海流載荷對平臺水下部分結構物作用力F見下式：

(2)

式中：CD為拖曳力系數；ρ為海水密度，kg/m3；A為正投影面積，m2；V為設計海流速度，m/s。

在計算海上綜合試驗平臺水動力輪機(下文簡稱“水輪機”)作業工況的流載荷時，不考慮旋轉、葉片形狀對船體水輪機所受流力的影響，可以將其簡化為一個與水輪機具有等直徑的圓盤面。由于等直徑圓盤面的受力面積要遠大于水輪機葉片的受力面積，因此該簡化計算是可以滿足設計要求的。對于在自存工況(極限工況)流速為2 m/s時，水輪機處于順槳鎖定狀態，可近似認為其所受載荷為0[4]。

海上綜合試驗平臺選取的水輪機參數如下：

水輪機組數量2個，水輪機葉尖到水線距離0.1 m，水輪機直徑8.8 m，水輪機中心水深4.5 m。

作用在結構上的流載荷根據規范公式進行計算，計算結果見表6和表7。

表6 水面流速為1.6 m/s 時不同水深處的流壓

表7 水面流速為2.0 m/s 時不同水深處的流壓

在進行海上綜合試驗平臺結構強度校核時，將流壓以線性均布面載荷的形式施加到模型濕表面上，因此對平臺流載荷的具體計算結果不具體列出，而是以結構等效應力響應的形式展現。

2.3 風載荷的計算

2.3.1 風速

風速可理想化為一個隨機高頻陣風風速和一緩慢變化的平均風速的疊加。風速是隨高度變化的，因此需要明確指定風速的參考高度。風速計算時通常使用的參考高度為10 m。根據規范要求，對無域作業區域的平臺，其最小設計風速應為：自存工況51.5 m/s，作業工況36.0 m/s[2]。

2.3.2 風壓

根據《MODU規范》中的第3部分船體建造與設備部分的相關內容，在計算風壓力P時，使用如下方程進行計算，所選取的垂直高度系數根據附表近似細化：

(3)

式中：P為風壓，Pa；f取0.611；Vk為風速,m/s；Ch為高度系數；Cs為形狀系數。

2.3.3 風力

海上結構物受到的風力參考ABS規范給出的表達式進行計算[2]：

Fw=PA

(4)

式中：Fw為風力，N；A為投影面積，m2，針對所有暴露的表面，無論是正直狀態還是傾斜狀態。

作業工況和極端自存工況下作用在風機和塔架上的風載荷根據ABS規范的公式進行計算，計算結果見表8。

表8 風載荷的計算

在GeniE模塊中將計算得到的風載荷以均布載荷的形式施加到塔架和風機等效盤面上。針對自存(極限)工況時，為了防止風機發生損壞，將風機設定為順槳停轉狀態，葉片的受力可近似為零；針對作業工況時，將作業狀態的風機受風面近似為圓盤進行計算。本文海上綜合試驗平臺選取的風機各項參數如下：

風力機數量2個，葉尖最小高度3.25 m，風機直徑27.5 m，機組重心高度17 m，塔架直徑2 m，塔架高度16.2 m。

3 結論

(1)本文基于《MODU規范》中的第3部分船體建造與設備部分的內容，以及在海上綜合試驗平臺總布置圖的基礎上，對其進行詳盡的結構設計，并分別對上殼體、浮筒、立柱、水平撐桿和下浮體結構的設計特點進行一一說明。

(2)對海上綜合試驗平臺的波浪載荷、風載荷和流載荷進行計算。對風載荷和流載荷的計算依據ABS規范完成，并進行了簡化，忽略了葉片上空氣動力載荷。

(3)本文的重點是對波浪載荷的計算，基于設計波法對海上綜合試驗平臺進行水動力分析，計算一階波浪響應傳遞函數，對波浪載荷進行長期預報，并確定設計波參數。

(4)環境載荷的計算為后續的結構規范設計、屈服屈曲強度分析、疲勞強度分析奠定了基礎。