海上風(fēng)電平臺(tái)船貝雷架應(yīng)用研究

劉小飛，劉家軍，陳志堅(jiān)

（天津港航工程有限公司，天津 300450）

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，在“3060”戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，我國(guó)進(jìn)入能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新時(shí)代。在海上風(fēng)電施工過程中風(fēng)機(jī)葉片安裝是難度最高的一個(gè)環(huán)節(jié)。

隨著大型風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)和使用，風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度已超110 米，使得風(fēng)機(jī)平臺(tái)船舶自身的性能將不能再滿足葉片過駁要求。當(dāng)前業(yè)內(nèi)部分平臺(tái)船采用甲板兩側(cè)加寬的方式[1-3]，以實(shí)現(xiàn)過駁葉片，同時(shí)存放多個(gè)葉片，提升了葉片吊裝效率。

1 貝雷架平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)“港航平9”結(jié)構(gòu)尺寸、吊機(jī)性能及作業(yè)特點(diǎn)，主甲板兩舷側(cè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸相同的貝雷架，如下圖所示。

圖1 貝雷架平臺(tái)布置圖

設(shè)計(jì)、制作的貝雷架平臺(tái)參數(shù)為9 米（舷外長(zhǎng)度）*15 米，每個(gè)貝雷架最外側(cè)能夠承載38t 載荷。葉片托架平臺(tái)采用321 型貝雷架拼接而成，貝雷架為三排單層標(biāo)準(zhǔn)型貝雷架。

2 貝雷架平臺(tái)強(qiáng)度計(jì)算

因葉片重量載荷主要集中在葉根支撐部位，因此，僅對(duì)葉片根部所在托架強(qiáng)度進(jìn)行校核。

圖2 葉片托架受力形式

作用在貝雷架平臺(tái)上的載荷見下表：

表1 托架載荷匯總

上表中載荷合力最終以集中力形式作用在縱向貝雷架及與托架的接觸點(diǎn)處，貝雷架平臺(tái)受力分析如下圖所示：

圖3 貝雷架平臺(tái)彎矩圖

[M]max=2073kNm，[m]=2364kNm，[M]max＜[m]，則抗彎能力滿足要求。

圖4 貝雷架平臺(tái)剪力圖

[V]max=299.9kN，[v]=735kN，[V]max＜[v]，則抗剪能力滿足要求。

圖5 貝雷架平臺(tái)撓度圖

[ω]max=1.3mm,[ω] =L/400=17.25mm[ω]max＜[ω],則撓度滿足要求。

3 船體強(qiáng)度仿真分析

由于貝雷架平臺(tái)眼板對(duì)應(yīng)的每一處船體結(jié)構(gòu)剛度不同，使得每組眼板處載荷不同，根據(jù)托架端部載荷及托架的彎矩剪力分布，分別按單組眼板載荷和一組貝雷架端部整體載荷校核船體連接區(qū)域的強(qiáng)度。

3.1 有限元建模與求解

首先建立整船有限元模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)舷側(cè)區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化并建模，整體模型如圖6 所示。整船模型有限元網(wǎng)格尺寸為600mm，眼板反面加強(qiáng)校核區(qū)域有限元網(wǎng)格為50mm。局部校核區(qū)域內(nèi)所有結(jié)構(gòu)（包括縱骨）均用殼單元模擬。圖7 為局部支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域的模擬情況。圖8 為眼板支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域模型細(xì)節(jié)。

圖6 整船模型

圖7 模型局部

圖8 眼板支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域模型細(xì)節(jié)（靠船艉區(qū)域）

計(jì)算模型應(yīng)用Nastran 提供的LINEAR 求解器求解。

眼板支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域模型如下圖所示：

3.2 材料特性

計(jì)算模型中使用的材料物理參數(shù)如下：

楊氏模量E=2.06*10-5(N/mm2）；泊松比μ=0.3；密度ρ= 7.85*10-（9t/mm3)

3.3 載荷分析

3.3.1 單組貝雷架整體載荷

單組貝雷架端部承受的Mx 彎矩為3144kNm，Mz彎矩為4.1kNm，垂向力為482.5kN，水平力為0.8kN。整體載荷作用在 10 組眼板上，傳遞給主船體舷側(cè)區(qū)域。計(jì)算模型通過多點(diǎn)約束關(guān)聯(lián)至眼板，施加集中載荷。如圖9 所示。

圖9 模型整體載荷施加示例

3.3.2 一組眼板局部載荷

根據(jù)貝雷架平臺(tái)強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)，眼板處受到了拉壓力和垂向剪力，壓力為224.6kN，剪力為24.1kN。。通過施加相鄰一對(duì)眼板處載荷，校核相關(guān)區(qū)域強(qiáng)度，載荷施加如圖10 所示：

圖10 眼板處載荷施加情況

3.3.3 自重載荷

考慮到自重影響，模型加載了自重載荷。

3.3.4 計(jì)算工況

強(qiáng)度校核共有四個(gè)工況，如下表所示。

表2 工況匯總表

3.3.5 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

表3 許用應(yīng)力

3.3.6 計(jì)算與評(píng)估

表4 結(jié)構(gòu)屈服計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）在“港航平9”風(fēng)電平臺(tái)船設(shè)計(jì)加裝貝雷架平臺(tái)之后，將能夠滿足3 支葉片豎立過駁存放或者2 支葉片平躺過駁存放。

（2）通過應(yīng)用貝雷架平臺(tái)，降低了葉片過駁、吊裝所需的船舶性能，打破了風(fēng)機(jī)安裝船舶因自身限制無法過駁、吊裝超長(zhǎng)葉片的約束，有效解決國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)安裝平臺(tái)船緊缺的問題。

（3）通過貝雷架平臺(tái)和船體舷側(cè)加強(qiáng)區(qū)域校核分析，在對(duì)應(yīng)的載荷作用下，貝雷架平臺(tái)、主船體及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[6]要求。