海上風機吊裝作業(yè)船全船結構強度有限元分析

姚震球，馬義猛，韓 強，嚴周廣

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引 言

風電機組的安裝是海上風電場建設的關鍵技術之一。自航自升式海上風機吊裝作業(yè)船是海上風電場建設的第三代吊裝工作平臺，具備自航、自升、運輸和起重等復合功能，將成為海上風電場建設主流裝備。這種新型船舶具有升降樁腿、大起重量的吊機、較大的甲板荷載和多種作業(yè)工況；其長深比和寬深比均已超出現(xiàn)行規(guī)范要求，目前國內尚無專門規(guī)范可用于直接指導該船型的設計。

要完成自航自升式海上風機吊裝作業(yè)船結構設計并得到比較精確的變形和應力結果，應用有限元方法對整船結構強度進行分析和研究具有必要性。全船有限元分析方法通過對各主要構件按其受力狀況建立模型，詳盡地描述船體結構細節(jié),可以真實地表達出全船結構及其與起重座、樁腿等重要受力結構的協(xié)調關系與變化情況，從而獲得比較準確的結論。本文以86 m自航自升式海上風機運輸、吊裝專用工作船為例，介紹有限元結構分析過程。分析計算工作均采用MSC.NASTRAN軟件完成。

2 海上風機吊裝作業(yè)船船型特點與結構形式

2.1 主要要素

海上風機吊裝作業(yè)船船體呈扁平箱型，平行中體較長，方艉，首部設有球鼻艏，平甲板，尾部設2臺全回轉槳，艏部2臺側推。其主尺度及主要參數如下：

總長：86.7 m 垂線間長：82.2 m

型寬：30.0 m 型深：6.0 m

設計吃水：3.0 m 方形系數：0.85

航速：8 kns 肋距：0.6 m

裝載量：5MW風機×4臺 最大工作水深：25.0 m

升降樁腿尺寸：55 m×2.5 m 升降樁腿數量：4根

最大起重能力（吊重×吊幅×吊高）：460 t×17.9 m×102.4 m

2.2 船體結構形式和特點

該船為單甲板、單底、縱骨架式全焊接鋼質海上風機吊裝作業(yè)船。全船肋距600 mm，縱骨間距625 mm，船體留有安放四根樁腿和樁靴的開口。

中縱剖面和兩側距中7.5 m處設有三道縱艙壁，每個縱艙壁設置5道縱骨；縱向強框架的間距為3個縱骨間距；內龍骨與甲板縱桁各12道，上下、左右對稱布置；舷側外板設置6道縱骨，另外全船設置有48根支柱。

全船設置7道橫艙壁，并在船首樁腿處左右兩舷各增加兩道短橫艙壁。實肋板、強橫梁和強肋骨等橫向強構件的間距為3個肋距[1]。

3 全船有限元模型

采用右手笛卡爾坐標系。x軸沿船長方向，向艏為正；y軸沿船寬方向，向左舷為正；z軸為型深方向，自基線向上為正。結構模型建立和載荷施加過程中采用牛、毫米、秒單位制。

按該船的型線、板厚、各構件設計尺寸采用MSC.PATRAN軟件建立全船三維有限元計算模型，見圖1-2。

圖1 全船有限元模型 Fig.1 Finite element model of Entire vessel

圖2 全船主要結構有限元模型Fig.2 Finite element model of the main structure

模型中主要采用以下兩種單元：

板殼（shell）單元：用來模擬船體中的甲板、船底板、舷側外板、縱橫艙壁等板殼結構和船底龍骨、實肋板、甲板縱桁、強橫梁、強肋骨等腹板高度比較大的強構件。板殼單元大多采用四邊形單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡。對于兩個相連接的板，為保證其有限元模型能夠正確地反映連接關系，要求兩個構件網格劃分后生成的單元在交線處的節(jié)點完全重合[2]。

梁（beam）單元：用來模擬腹板高度小于300 mm的縱骨、橫艙壁加強筋、支柱等桿件結構，以及縱桁、實肋板、強橫梁、強肋骨、強扶強材等強構件的面板和肘板的折邊等。

網格大小保持在一個縱骨間距三個單元的量級水平，使得結構單元比較精細。主要構件上的四邊形單元邊長比不超過1:2，在連接過渡的地方采用了少量三角形單元。全船共45 122個節(jié)點，95 662個單元。

對首尾結構以及上層建筑進行了適當的簡化，忽略了船體結構中一些小的肘板、開孔等次要因素。另外，為模擬吊機基座結構、樁腿與船體連接處結構以及風機各部件在甲板裝載處并施加相應的載荷，采用了多點約束（MPC）[3]。

4 計算工況及邊界條件

4.1 計算工況

為了比較全面地考核船體結構的強度及各主要構件的穩(wěn)定性，工況的選取包括船舶航行、自升、起吊、下樁時預壓操作及考慮單腿失效等不同作業(yè)狀態(tài)和環(huán)境組合共14種工況，起中起吊時分正常起吊300 t和最大起吊460 t兩種情況考慮，各工況具體說明如下表所示。

表1 計算工況Tab.1 Load cases

4.2 邊界條件

船舶是一個漂浮體，處于平衡力系之下，但沒有對剛體運動的約束。而有限元位移法分析要求結構的剛體運動被支座所限制，以便計算結構的相對變形。為此必須給浮動船體加上適當的約束，令船體不做剛體運動，同時也不能限制船體變形，不能影響全船結構的受力，這樣求出的相對變形與內力才是真實的。

（1）波浪航行狀態(tài)下

船體結構的變形狀態(tài)十分復雜。一般而言，如果結構是以彎曲為主，在兩端中和軸附近的節(jié)點施加類似簡支的約束比較合理[4]。約束點的選取應盡可能遠離將來所關心的應力位置。本船整體模型被約束了兩個位置，一個在船尾尾封板處中和軸位置，對該部位的節(jié)點約束x，y，z三個方向的位移；另一位置在防撞艙壁處中和軸位置，約束y，z兩個方向位移。

（2）船體自升后起吊狀態(tài)下

船體自升和起吊狀態(tài)時，樁靴入泥，樁腿底部邊界條件的考慮參照《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》的相關規(guī)定，取海底泥面以下三米處鉸支。本船樁腿和主體的連接是通過齒輪齒條嚙合系統(tǒng)實現(xiàn)的，二者之間通過齒輪齒條來傳遞豎向力，在上、下導向環(huán)處耦合水平位移，在鎖緊區(qū)耦合水平和垂直位移[5]。

5 載荷計算與加載

5.1 重量載荷

（1）船體鋼料重量

本船船體鋼料重量3 140.4 t，由于模型建立得比較細致，故可以將結構自身以慣性力g的形式進行加載[5]。

（2） 舾裝重量

本船舾裝重量200 t，可將其分散在每個節(jié)點上，以等效的集中力加載[5]。計算模型中共41 890個節(jié)點，每個節(jié)點上的集中力為47.74 N。

（3） 機電重量

本船輪機設備重量100 t，按其所處的區(qū)域以MPC的形式作用在對應的結構節(jié)點上。

（4）食品淡水重量，燃油、滑油及爐水重量

本船淡水、生活用水和污水等計234 t，燃油、滑油和液壓油等計340.8 t，分別以面壓力的形式施加到模型對應艙室的結構節(jié)點中。

（5） 壓載水

本船共設置四種壓載水艙以對浮態(tài)進行調整，在Fr7～Fr40設置4個，在Fr134～Fr143設置2個。在計算中，以靜水壓力的形式施加壓載水的重量。在波浪航行和船舶自升時，加載只用到3號壓載水艙，在吊機起吊時，加載用到2號和3號壓載水艙，以保持平衡。

5.2 風載荷[6]

本海上風機運輸吊裝船。其設計適航環(huán)境為：浦氏6級，風速10.8～13.8 m/s，浪高3～4 m。設計風速V取值為13.5 m/s。

風壓P可按下式計算：

作用于構件上的風力F應按下式計算，并應確定合力作用點的垂直高度。

式中：P—風壓，kPa；S—平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時，受風構件的正投影面積，m2；Ch—受風構件的高度系數；Cs—受風構件形狀系數。

按上述公式計算得到航行、自升后起吊狀態(tài)下船體、上層建筑、起重機、樁腿以及風機（塔筒、機艙、輪轂葉片）等部件所受風載荷。風載荷按照以下2種方式施加到有限元模型上：

①對于船體、上層建筑等板結構，按（1）式計算的風壓施加到模型上；

②對于起重機、樁腿、風機各部件等，按風力引起的彎矩施加到模型上。

5.3 吊機、風機及樁腿自重

（1）起重機自重

本船吊機重量約600 t（其中吊臂120 t），以MPC的形式加載到對應的結構節(jié)點上。

吊臂自重及自重引起的彎矩與所受風載引起的彎矩共同作用后得到吊機基座承受的力和彎矩。

（2） 樁腿自重

單根樁腿自重175.4 t，每個樁腿通過三組齒輪齒條實現(xiàn)船體升降，每組齒輪可采用2個MPC來模擬，計24個MPC。樁腿處承受的壓力可將其分散在每個MPC上，以等效的集中力加載。

①波浪航行時樁腿處外板每個MPC承受的載荷：292.3 kN；

②自升后樁腿處外板每個MPC承受的載荷：3 141.7 kN。

（3） 風機自重

設計單程運輸量：4套單機容量5MW的風機。采用“兔耳式”的方式進行裝載運輸[7]。

在船長方向上左舷依次放置兩個機艙和兔耳，右舷放置兩個。機艙和兔耳重量以面積力的形式施加。其風載荷引起的彎矩忽略。風機塔筒分上、下兩節(jié)，其載荷分別采用8個MPC單元模擬，施加在相應的風機部件與甲板結構相接觸的節(jié)點上。

5.4 舷外水壓力[8]

計算中，分別考慮了靜水、波浪水動壓力2種舷外水條件，以面壓力的形式進行加載。

（1）滿載靜水狀態(tài)

根據滿載狀態(tài)所形成舷外水壓力的函數，通過定義與垂向坐標z線性相關的域（field）函數施加船體各單元節(jié)點處。

（2）滿載波浪狀態(tài)

波浪狀況下舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成，舷外水壓力函數為：

在基線處：Pb=10d+1.5CwkN/m2；

在水線處：Pw=3CwkN/m2；

在舷側頂端處：Ps=3P0kN/m2；

甲板上的水動壓力：Ps=2.4P0kN/m2；

式中：P0=Cw-0.67 （D-d） ；

經計算得：Cw=7.572；P0=5.562 kN/m2；Pb=41.358 kN/m2；Pw=22.716 kN/m2；Ps=16.686kN/m2；Ps=13.349 kN/m2。

6 計算結果分析

通過全船結構有限元計算分析，各工況下船體板單元、梁單元最大應力結果匯總于表2，主船體位移（變形）結果匯總如表3。各許用應力值參照規(guī)范[9]中所提供強度標準。

表2 各工況下船體各結構最大應力Tab.2 The maximum stress of main structure component in all conditions

續(xù)表2

表3 各工況下船體位移變形 （mm）Tab.3 Deformation of hull displacement in all conditions

續(xù)表3

圖3-7分別為航行、自升、預壓、起吊和單腿故障等典型工況下應力及位移變形云圖。

圖3 波浪航行工況（LC-hangxing）應力與變形云圖Fig.3 The stress and deformation nephogram under wave loading

圖4 船體自升工況—工況1.2（LC-Lift）應力與變形云圖Fig.4 The stress and deformation nephogram under self-rise condition

圖5 預壓工況—工況3.1（Lift-2）應力與變形云圖Fig.5 The stress and deformation nephogram under preloading condition

由表2及各工況應力云圖可知，船體各單元最大應力發(fā)生在橫風、吊臂為船長方向起吊荷載時的起吊工況，船體板單元最大應力為175 MPa（工況4.1）,梁單元最大應力為164 MPa（工況2.2）,均小于船體結構的許用應力177 MPa。船體結構應力水平較高的位置，主要是吊機基座及固樁架與船體結構連接部位。由于固樁架是主要受力結構，在設計中采用了強度較高的材料，且結構尺寸較大，故應力水平不高[10]。上述最大應力計算值均在材料的屈服應力以內，所以全船結構強度滿足設計要求。

圖6 起吊工況—工況4.1（Lift-H-head_80）應力與變形云圖Fig.6 The stress and deformation nephogram under lifting condition

圖7 單腿失效—工況3.2（Lift-3）應力與變形云圖Fig.7 The stress and deformation nephogram under single leg failure condition

由表3及各工況變形云圖可知，本船各種工況下的變形主要是中垂變形，甲板表面被壓縮。最大變形量為29.02，其中最大縱向位移為25.6 mm、最大垂向位移為29.0 mm（工況2.2）。由于起吊過程中載荷的不均勻性，也存在橫向變形，最大橫向位移17.2 mm（工況4.2）。這樣的變形量與船長86.26 m、船寬30 m相比可以忽略不計，與本船型深6 m相比甚小也可以忽略。所以本船的剛度滿足設計要求。

7 結 論

對海上風機吊裝作業(yè)船的全船結構強度有限元分析計算表明：

（1）本船的應力與變形計算結果表明，船體各結構的最大應力均在材料屈服應力以內，是滿足強度要求的。同時船體的位移變形值比較小，相對船舶主尺度可忽略不計。剛度滿足要求。

（2）比較航行、預壓、自升、起吊和單腿失效等典型工況，在航行、自升工況下，結構應力水平不高，安全系數較高；自升后起吊狀態(tài)下，船體結構中的應力水平較高，尤以橫風、吊臂為船長方向起吊荷載時，應力最大，部分工況接近船體材料許用應力，在樁腿處橫艙壁與舷側板有應力集中現(xiàn)象；船舶在單腿失效和預壓狀態(tài)下，樁腿圍阱處外板應力比較大。

（3）應力比較大的區(qū)域大部分集中在吊機基座處以及船舶主體與樁腿的連接部位；在船體自升后起吊的狀態(tài)下，樁腿處船底板應力集中現(xiàn)象較明顯，這部分結構，既要傳遞巨大豎向載荷，又要承受和抵抗風載荷產生的水平載荷。

（4）由于目前CCS尚未有海上風機吊裝作業(yè)船專用規(guī)范，故其結構只能參照目前的CCS規(guī)范的相關章節(jié)要求進行設計。所完成的海上風機吊裝作業(yè)船結構，其部分構件應力較大，而其他部分應力較低。表明需制定海上風機吊裝作業(yè)船專用規(guī)范，對設計工作予以指導。

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