“遼河一號(hào)”風(fēng)機(jī)安裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 曄 張曉宇 張秀巖 楊 雪

（渤海裝備公司研究院 海工裝備分院 盤錦124000）

引 言

“遼河一號(hào)”風(fēng)機(jī)安裝船主要用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸、安裝作業(yè)，同時(shí)具有自航和浮吊作業(yè)能力，一次可載運(yùn)2臺(tái)5 MW整體式風(fēng)機(jī)至海上風(fēng)場(chǎng)，并使用自身全回轉(zhuǎn)吊機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝。本船由首至尾依次為首部生活區(qū)、貨物甲板區(qū)域和尾部區(qū)域，采用8點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)，以滿足200 m水深范圍內(nèi)的作業(yè)要求。當(dāng)水深小于9.5 m時(shí)，也可以采用座底作業(yè)方式。燃油艙布置在尾部并設(shè)雙殼保護(hù)。船旗國及沿岸國為中國，入CCS船級(jí)，滿足最新的公約、規(guī)范和法規(guī)要求。

該船主要參數(shù)如下：

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置原則

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是在滿足船舶總體設(shè)計(jì)要求下，解決船舶結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺度與連接方式的設(shè)計(jì)問題。把盡可能降低結(jié)構(gòu)重量作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，保證船體有足夠的強(qiáng)度和剛度；同時(shí)考慮工藝可行性、建造便捷性，從而降低船舶成本，獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能［1］。根據(jù)本船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，遵循以下設(shè)計(jì)原則：

1.1 載荷的有效傳遞性

當(dāng)載荷作用在某個(gè)構(gòu)件上時(shí)，構(gòu)件可將盡可能多的載荷有效傳遞給與其相連的其他構(gòu)件，其他構(gòu)件再將載荷傳遞給相連構(gòu)件，使盡可能多的構(gòu)件共同參與抵抗由于載荷的作用所帶來的應(yīng)力、變形，降低作用在每個(gè)構(gòu)件上的載荷。

1.2 結(jié)構(gòu)的連續(xù)性

主要構(gòu)件應(yīng)避免剖面或高度的突然變化，當(dāng)構(gòu)件在艙壁或其他主要構(gòu)件的兩側(cè)對(duì)接時(shí)，應(yīng)保證其位置在同一直線上。液艙內(nèi)的主要構(gòu)件應(yīng)構(gòu)成一個(gè)連續(xù)性的支撐，并盡可能形成一個(gè)完整的環(huán)形框架，并在環(huán)形框架的結(jié)合處設(shè)計(jì)成具有足夠半徑的圓角。骨材及肘板端部終止時(shí)應(yīng)與另一骨材或肘板連接，否則骨材端部應(yīng)削斜、肘板端部設(shè)計(jì)成軟趾，避免應(yīng)力集中。

1.3 結(jié)構(gòu)中斷時(shí)應(yīng)有適當(dāng)?shù)倪^渡區(qū)

構(gòu)件特別是縱向構(gòu)件中斷時(shí)應(yīng)逐漸過渡，縱骨在首尾端隨著船寬減小，其數(shù)量也應(yīng)逐漸減少，不允許較多縱骨在同一肋位上中斷。

1.4 施工的便捷性

設(shè)計(jì)時(shí)盡可能避免在狹小空間內(nèi)布置各種密集構(gòu)件，不可避免時(shí)應(yīng)考慮改變結(jié)構(gòu)形式，例如，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)密集布置帶來的焊接、打砂不便時(shí)，可以將加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成球扁鋼或扁鋼。

1.5 工藝的可行性

工藝因船廠不同而存在很大差異，根據(jù)實(shí)際情況，充分考慮工藝水平，將本廠的各項(xiàng)工藝方針、政策貫徹在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。例如：對(duì)縱骨穿越孔進(jìn)行優(yōu)化，從而滿足本廠預(yù)密性試驗(yàn)的要求。

2 材料選擇

本船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫度為：最低空氣溫度為-10℃，最低海水溫度為-2℃。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范相關(guān)要求，在船舯0.4L范圍內(nèi)，甲板邊板、縱艙壁處甲板、舷頂列板、舭列板選用CCS-B級(jí)鋼，其余位置的甲板、船底板和縱艙壁最上列板選用CCS-A級(jí)鋼，舷側(cè)及縱艙壁選用CCS-A級(jí)鋼，尾部主吊機(jī)筒體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)選用CCS-E36級(jí)鋼，直升機(jī)甲板選用鋁合金材料，其他位置結(jié)構(gòu)根據(jù)要求選用CCS-A級(jí)鋼，用作設(shè)備加強(qiáng)的加厚板選用CCS-B級(jí)鋼。

3 結(jié)構(gòu)布置

3.1 貨物區(qū)結(jié)構(gòu)

貨物區(qū)4道水密橫艙壁和2道水密縱艙壁將主船體分為共計(jì)15個(gè)壓載艙，2個(gè)管隧通道由首至尾左右對(duì)稱布置在該區(qū)域，泵艙靠近首部布置并設(shè)有雙層底，燃油艙及柴油艙布置在該區(qū)域尾部，采用雙殼雙底進(jìn)行保護(hù)，以滿足IMO MARPOL73/78及最新修正案的要求。

貨物區(qū)結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，能夠在滿足總縱強(qiáng)度的情況下，有效降低船體結(jié)構(gòu)重量。該區(qū)域主甲板下主要是壓載艙和燃油艙等液艙，縱骨設(shè)計(jì)成高腹板的球扁鋼，與相同橫剖面面積的其他型材相比，可以提供更大的剖面模數(shù)，典型橫剖面圖見下頁圖1。

3.1.1 主甲板

圖1 典型橫剖面圖

甲板縱骨間距750 mm，縱骨在水密橫艙壁處保持連續(xù)，水密橫艙壁穿越孔加水密補(bǔ)板，每4個(gè)肋骨間距布置一道強(qiáng)橫梁對(duì)縱骨提供支撐，強(qiáng)橫梁與舷側(cè)強(qiáng)肋骨及船底肋板組成一個(gè)封閉的環(huán)形框架，保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。此外，鑒于本船型深較小、型寬較大，且甲板所載貨物風(fēng)機(jī)質(zhì)量很大，甲板載荷達(dá)15 t/m2；為了滿足總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的要求，又要使船體質(zhì)量得到控制，增加了主甲板及底板的厚度，這是提高船體剖面模數(shù)的有效方式［2］。

經(jīng)過如上的化簡(jiǎn).我們已經(jīng)知道了一般的仿射坐標(biāo)系下兩個(gè)外積的坐標(biāo)表達(dá)式.這個(gè)表達(dá)式中的每一項(xiàng)都是與e1,e2,e3這組基向量的選取相關(guān)的,但是最后我們算出來的結(jié)果卻是與基向量的選取無關(guān)的量,體現(xiàn)了解析幾何中的一個(gè)重要的本質(zhì)問題:坐標(biāo)只是一個(gè)強(qiáng)而有力的工具,我們更關(guān)心的是那些不依賴于坐標(biāo)的選取而變化的量.

3.1.2 底 部

底部選用單底結(jié)構(gòu)，僅在泵艙、燃油艙、柴油艙等局部位置設(shè)計(jì)成雙層底，這樣在滿足總縱強(qiáng)度的情況下可以進(jìn)一步減輕船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。與甲板相同，每4個(gè)肋骨間距布置一道實(shí)肋板，底部縱骨在水密橫艙壁處連續(xù)，水密橫艙壁穿越孔處加水密補(bǔ)板。水密縱艙壁左右對(duì)稱布置在距中心6 000 mm處，水密縱艙壁內(nèi)側(cè)設(shè)2道內(nèi)部通道，由首部泵艙通向尾部推進(jìn)器艙，用作集中布置管路、電纜，同時(shí)兼作內(nèi)部人員通道。

3.1.3 舷 側(cè)

舷頂列板與甲板邊板連接處高出甲板100 mm用作擋水扁鐵。在與底部連接的舭部設(shè)有多段非連續(xù)舭龍骨，便于建造時(shí)船臺(tái)合攏前，將舭龍骨安裝完畢，避免了連續(xù)舭龍骨船臺(tái)大合攏時(shí)由于舭龍骨覆板貼裝件焊接對(duì)壓載艙涂層的破壞，舭龍骨的位置根據(jù)船模試驗(yàn)確定。

3.1.4 水密橫艙壁

水密橫艙壁采用平面艙壁，由垂向布置的扶強(qiáng)材、垂直桁、水平桁及艙壁板組成，扶強(qiáng)材上下端與甲板及底部縱骨對(duì)位便于構(gòu)件連接。扶強(qiáng)材和垂直桁一起保證垂向強(qiáng)度，水平桁支撐垂直扶強(qiáng)材，且和艙壁板一起承受橫向載荷保證主船體橫向強(qiáng)度。

3.2 首部結(jié)構(gòu)

該區(qū)域主甲板下設(shè)壓載水艙，主甲板與01甲板間設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙布置3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，機(jī)艙兩側(cè)為淡水艙，前端為壓載水艙。本船航速較低，吃水較淺，主體線型設(shè)計(jì)成折角線型，不僅有利于結(jié)構(gòu)的加工制造，而且有利于首部結(jié)構(gòu)的布置；因此貨艙區(qū)縱骨結(jié)構(gòu)向首部延伸是可行的，綜合考慮將本區(qū)域結(jié)構(gòu)采用混合骨架式結(jié)構(gòu)。考慮到首部抨擊對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，外板進(jìn)行適當(dāng)加厚，每檔肋位設(shè)置強(qiáng)框架保證抨擊區(qū)的局部強(qiáng)度。

3.3 尾部結(jié)構(gòu)

尾部主甲板下布置有2對(duì)壓載艙、1對(duì)推進(jìn)器艙，800 t全回轉(zhuǎn)主吊機(jī)布置在船體中心線上，吊機(jī)筒體結(jié)構(gòu)穿過主甲板座落在B甲板上形成1個(gè)空艙。

推進(jìn)器底座設(shè)計(jì)成高腹板的T型材結(jié)構(gòu)，降低船舶航行推進(jìn)器引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，T型材之間用橫隔板作橫向加強(qiáng)，T型材首端適當(dāng)調(diào)整后與底部縱骨對(duì)接，尾端與艉封板上的扶強(qiáng)材用肘板連接。

圖2 主甲板吊機(jī)筒體結(jié)構(gòu)圖

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

船體結(jié)構(gòu)中存在著數(shù)量眾多的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的合理改進(jìn)不僅有利于改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，同時(shí)也在建造中方便施工，優(yōu)化工藝。本船在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，其中最典型的是防傾肘板和水密穿越孔及補(bǔ)板。

4.1 防傾肘板

傳統(tǒng)的強(qiáng)框架在縱骨處的防傾肘板根部開有R35 mm×70 mm的切口，強(qiáng)框架背面設(shè)有小肘板，如圖3中（a），但由于增加小肘板既增加空船質(zhì)量，又增加建造時(shí)人工工時(shí)和鋼料。本船節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)去掉了強(qiáng)框架背面的小肘板，把防傾肘板根部的切口改進(jìn)為長(zhǎng)圓孔，如圖3中（b）［3］。

圖3 防傾肘板切口

4.2 水密穿越孔及補(bǔ)板

為滿足PSPC要求，平臺(tái)結(jié)構(gòu)建造時(shí)將艙室密性試驗(yàn)由船塢階段前移到分段制作或中組階段進(jìn)行是非常必要的，水密構(gòu)件角焊縫通常采用角焊縫充氣試驗(yàn)作為預(yù)密性試驗(yàn)的手段。為保證角焊縫充氣試驗(yàn)時(shí)氣道的暢通，對(duì)影響角焊縫充氣試驗(yàn)的穿越孔及補(bǔ)板在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行改進(jìn)，采用了圖4的形式，補(bǔ)板的切角a×a不再采用傳統(tǒng)固定大小的形式，改進(jìn)為比該處縱骨焊角高度大1 mm［4］。

圖4 穿越孔及補(bǔ)板

5 船體強(qiáng)度分析

航行工況下船體結(jié)構(gòu)已根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行校核。本文針對(duì)本船的工作特點(diǎn)選取典型危險(xiǎn)工況對(duì)全船進(jìn)行有限元分析，通過直接計(jì)算的方法保證結(jié)構(gòu)安全性。有限元分析采用ANSYS軟件按結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行建模，主甲板、舷側(cè)、底部、艙壁等平板構(gòu)件以及強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨等桁材結(jié)構(gòu)均采用板單元進(jìn)行建模，各種骨材均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模。有限元網(wǎng)格劃分原則為：船體橫向和垂向以1個(gè)縱骨間距為1個(gè)單元，縱向以1個(gè)肋骨間距為1個(gè)單元。有限元模型見下頁圖5。

船體結(jié)構(gòu)分析選取船舶運(yùn)營過程中典型的危險(xiǎn)工況，具體工況參見下頁表1。

圖5 船體有限元模型

表1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析工況

各工況分析過程中采用AQWA-LINE軟件計(jì)算單位波高下，不同頻率、不同角度的波浪力，取迎浪時(shí)中拱、中垂兩種情況，通過AQWAWAVE衍射到船體模型上。同時(shí)座底作業(yè)工況和漂浮作業(yè)工況要考慮吊機(jī)載荷，選取吊機(jī)產(chǎn)生最大力和力矩的工況，力矩方向分別與波浪產(chǎn)生的中拱、中垂進(jìn)行疊加，即載荷按照最不利情況進(jìn)行組合的原則。

尾部800 t全回轉(zhuǎn)吊機(jī)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)度分析，有限元模型將整個(gè)船體尾部結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)來，有限元模型見圖6。

圖6 平臺(tái)艉部結(jié)構(gòu)有限元模型

吊機(jī)載荷工況如表2所示，力矩載荷施加時(shí)按照360°每隔30°進(jìn)行搜索計(jì)算，以獲得吊機(jī)臂在每個(gè)角度下的底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。

表2 尾部 800 t吊機(jī)底部結(jié)構(gòu)分析工況

6 有限元分析結(jié)果

根據(jù)CCS規(guī)范［5］及相關(guān)要求，用有限元分析軟件ANSYS及水動(dòng)力分析軟件AQWA，對(duì)船體在各種工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于參與結(jié)構(gòu)分析的船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按以下規(guī)定確定其許用應(yīng)力［σ］：

式中：σS為材料的屈服強(qiáng)度，N/mm2；S為安全系數(shù)。

船體結(jié)構(gòu)所用鋼材為CCS-A或CCS-B鋼級(jí)，尾部吊機(jī)筒體及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用CCS-E36鋼級(jí)，取用的安全系數(shù)為1.11。因此主體的許用應(yīng)力［σ］為211.7 MPa（235/1.11=211.7），尾部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力［σ］ 為 324 MPa（360/1.11=324）。

根據(jù)本船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由尾至首將平臺(tái)分成7個(gè)艙段，分別是：尾部艙段（尾封板到33肋位），第2艙段（33肋位到57肋位），第3艙段（57肋位到81肋位），第4艙段（81肋位到105肋位），第5艙段（105肋位到129肋位），第6艙段（129肋位到153肋位），首部艙段（153肋位到艏部）。

主體結(jié)構(gòu)分析和尾部吊機(jī)底部結(jié)構(gòu)的von Mises應(yīng)力水平分別見下頁表3-表6，應(yīng)力云圖見下頁圖7-圖12，經(jīng)校核船體結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

屈曲校核主要針對(duì)壓應(yīng)力和剪應(yīng)力較大的板和構(gòu)件。本船設(shè)計(jì)考慮甲板作業(yè)、座底和裝載等情況，為滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度選取的結(jié)構(gòu)板厚都較大，不易發(fā)生屈曲破壞。通過對(duì)受壓板格、受壓縱向構(gòu)件以及受剪的板格進(jìn)行屈曲校核，均滿足屈曲強(qiáng)度要求。

表3 工況1主體結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力水平 MPa

表4 工況2主體結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力水平 MPa

表5 工況3主體結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力水平 MPa

表6 艉部吊機(jī)底部結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力水平 MPa

圖7 工況1全船結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力云圖

圖8 工況2全船結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力云

圖9 工況3全船結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力云圖

圖10 工況4吊機(jī)底部von Mises應(yīng)力云圖

圖11 工況5吊機(jī)底部von Mises應(yīng)力云圖

圖12 工況6吊機(jī)底部von Mises應(yīng)力云圖

7 結(jié) 論

“遼河一號(hào)”風(fēng)機(jī)安裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用鋁合金直升機(jī)甲板，改進(jìn)結(jié)構(gòu)布置，取消強(qiáng)框架防傾肘板背面的小肘板，有效降低了船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，有限元計(jì)算表明船體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)中通過對(duì)防傾肘板切口的優(yōu)化，去掉背面小肘板，在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量；同時(shí)在遵循相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，采用非連續(xù)舭龍骨、方形吊機(jī)筒體結(jié)構(gòu)、適合預(yù)密性試驗(yàn)的水密補(bǔ)板形式等多項(xiàng)措施，盡可能便于在建造時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)施工，并滿足了工藝要求。

［1］ 劉向東.船體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)［M］ .北京：人民交通出版社，2007.

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［3］ 潘希潁.散貨船底部縱骨防傾肘板節(jié)點(diǎn)疲勞優(yōu)化研究［J］ .船海工程，2014（4）：9-14.

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