風電維護船連接器結構強度分析

謝云平，張裕堂，孔祥明

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

風電維護船連接器結構強度分析

謝云平，張裕堂，孔祥明

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以海上風電維護船連接器為研究對象，考慮風電維護船連接器系泊狀態(tài)下的運動，計算不同浪向條件下連接器的受力情況，對連接器進行結構強度分析，結果表明，連接結構強度能滿足維護船系泊使用要求。

風電維護；連接器；結構強度；有限元分析

隨著海上風電事業(yè)高速發(fā)展，小型風電維護船船型的研究開發(fā)已比較成熟[1]，建造適用于風電維護船與風機塔基靠船件的連接器也就成為風電維護工作亟待解決的問題。海上風電技術比較成熟的歐美等國家，已經設計并在實船上使用了專業(yè)的連接器。英國OSBITPower公司于2012年Seawork海事展展出了最初版的MaXccess‐T12系統(tǒng)，并安裝于“Fred.OlsenWindcarrierBayard3”號船。芬蘭mobimar公司設計并建造了”Mobimar18 Wind”號風電維護船，加裝了專業(yè)的連接器。目前，國內對風電維護船已經做了一定程度的研究，但對加裝于船體上的連接器研究相對較少，因此有必要對風電維護船連接器結構進行研究，以適應較大風浪時海上風電場維護工作的需要。

為此，分析風電維護船系泊狀態(tài)下的運動情況，并設計了一種風電維護船連接器，針對結構強度進行分析，尋求構造簡潔且強度有保證的結構方案，以滿足海上風電維護工作人員安全的使用要求。

1 連接器方案及受力分析

1.1 連接器方案簡介

漂浮在海上的風電維護船具有6個自由度(3個旋轉和3個平移)，分別為縱蕩ΔX、橫蕩ΔY、垂蕩ΔZ、橫搖Δα、縱搖Δβ和艏搖Δγ[2]。當不進行主動控制而且沒有連接器進行約束時，船體可自由扭轉和移動。

傳統(tǒng)系泊中，船體與風機塔基沒有被完全固定，螺旋槳推力使艏部橡膠墊緊靠于靠船件，即限制船體縱蕩ΔX，然而橡膠墊產生的阻尼作用有限，不能對其他5個自由度做有效限制。風浪較大時，船體隨著貨物的卸載等升沉運動加劇，延長船舶海上作業(yè)時間，垂蕩ΔZ過大，會使人員產生嚴重失重感，安全得不到保障[3]。船舶運動中對靠船件的碰撞也將影響結構強度和穩(wěn)定性。

為了解決以上問題，設計并制造專業(yè)的連接器成為必然。除了實現(xiàn)最基本的可靠連接外，允許一定的旋轉自由度，恰當地釋放連接處過大應力，也是連接器設計中需要著重考慮的問題。結合連接器使用要求，確定用于風電維護船的連接器應滿足以下自由度約束關系。

1)限制：縱蕩 ΔX；橫蕩 ΔY；垂蕩 ΔZ。

2)允許：橫搖 Δα；縱搖Δβ；艏搖Δγ。

單立柱基礎在已建成的大部分海上風場中應用廣泛[4]。文中選取的單立柱基礎上安裝有2個靠船件，靠船件立柱直徑為0.4 m，2立柱間距為2 m，結合上述連接器應滿足的自由度約束關系，對連接器進行初步設計，見圖1。連接器工作時，機械手握緊靠船件立柱，限定船艏縱蕩 ΔX、橫蕩 ΔY和垂蕩ΔZ3個自由度；船體可繞連接軸軸向旋轉，允許橫搖Δα；連接軸與連接主體之間采用十字軸連接，釋放縱搖Δβ、艏搖Δγ兩個旋轉自由度。

圖1 連接器結構示意

連接過程的實現(xiàn)：將風電維護船行駛至指定位置，調整船舶浮態(tài)，并通過連接主體頂靠在靠船件上，即完成了初步定位；液壓系統(tǒng)供油，液壓缸活塞桿伸出帶動機械手繞銷軸轉動，進而完成機械手夾緊靠船件動作；反之，液壓缸活塞桿收縮，實現(xiàn)機械手的松開。在連接過程中，雙向作用筒式減振器通過十字接頭與連接主體后方長耳板活動連接，對連接器整體運動起緩沖作用，維持連接器的水平姿態(tài)，確保連接器與靠船件能有效對接。連接動作完成后，無需螺旋槳推動亦能保證有效連接，降低燃油消耗。

1.2 連接器受力分析與載荷計算

1.2.1 受力分析

應用水動力軟件AQWA進行相關載荷計算。分析連接器受力對其模型進行簡化：連接器位于水面以上，不參與波浪輻射勢、繞射勢求解，只進行浮體運動求解，且只需輸出連接軸斷面接觸力，可對連接器模型進行簡化處理[5]。雙向作用筒式減振器傳遞拉壓力遠小于其他接觸力，可以忽略不記；將連接主體作為剛體處理對連接軸受力影響不大，故視其為剛性體；機械手抓緊靠船件后，連接主體相對靠船件固定不動。綜上所述，為求解連接器載荷只需建立船體與連接軸模型即可。

整體坐標系為笛卡爾空間固定坐標系OXYE，原點位于連接末端截面重心處，軸OX自船艉指向船艏，軸OY指向左舷，軸OZ垂直于自由水面向上。局部坐標系為隨體坐標系，軸OX1與連接軸軸線方向保持一直，軸OY1沿心軸2軸向，局部坐標系遵守右手螺旋法則。整體坐標系和局部坐標系示意見圖2。

圖2 整體坐標系和局部坐標系

船艏與連接軸采用活動連接，僅允許船體繞軸OO1轉動；連接軸另一端與空間固定點O建立約束方程，僅允許連接軸繞軸OY1、OZ1轉動。根據以上運動約束關系得，連接軸上O1節(jié)點所在截面將承受由波浪誘導載荷引起的拉壓力及彎矩，主要包括FX、FY、FZ、MY、MZ，該截面載荷即為連接器載荷。

1.2.2 載荷計算

圖3 LC06工況下O1節(jié)點載荷時歷曲線

表1 工況定義及JONSWAP譜參數

2 結構強度分析

2.1 工況及模型

2.1.1 工況定義

為保證人員安全，風電維護船系泊作業(yè)對現(xiàn)場環(huán)境條件的選擇要求極為嚴格，因此選擇施工中允許的最惡劣海況進行計算。波浪譜選用JONSWAP譜，表1對工況定義及JONSWAP譜參數做了說明[8-9]。

2.1.2 模型

采用Solidworks建立連接器幾何模型，導入ANSYS Workbench模塊，進行網格劃分，連接器結構有限元模型見圖4。

圖4 連接器結構有限元模型

根據文獻[10]可得，十字襯套材料為鈹青銅QBe2，彈性模量E=130 GPa，泊松比ν=0.35，材料密度ρ=8.3×103kg/m3；連接軸調質鋼40 Cr，彈性模量E=211 GPa，泊松比ν=0.28，屈服強度σs=700 MPa，材料密度ρ=7.87×103kg/m3；銷軸材料為滲碳鋼20CrMnTi，彈性模量E=212 GPa泊松比ν=0.29，屈服強度σs=850 MPa，材料密度ρ=7.86×103kg/m3。其他各構件材料選用45號鋼，彈性模量E=209 GPa，泊松比ν=0.27，屈服強度為σs=370 MPa，材料密度為ρ=7.89×103kg/m3。

2.2.1 邊界條件

連接器是由構件及運動副形成的可動系統(tǒng)。在Workbench中采用各自劃分網格，在單元界面上定義接觸單元的方式處理運動副。心軸2與連接主體，十字襯套和連接主體，心軸4與連接軸，十字襯套與連接軸之間接觸定義為No separation連接；心軸2與連接主體，心軸4與連接軸之間轉動副定義為Revolute連接；其余各接觸均定義為Bonded連接。機械手抓緊靠船件后，連接主體相對靠船件固定不動，故對連接主體、機械手與靠船件的接觸面施加固定約束，即面1、2、3、4處均添加固定約束，見圖5。

圖5 邊界條件示意

2.2.2 載荷施加

根據文中的理論和求解步驟，計算得到各工況合成彎矩最大時刻O1節(jié)點處接觸力，即連接軸斷面接觸力，見表2。連接器分析須考慮慣性力，故對連接器進行瞬態(tài)動力學分析，在Workbench中，F(xiàn)X、FY、FZ以方向載荷形式施加到連接軸端面上，MY、MZ以力矩載荷形式施加到連接軸端面上，圖6中面5即為載荷施加面。分析時間歷程取為0.01s，載荷為恒定載荷。

表2 連接器載荷

圖6 載荷施加示意

2.3 結果計算與分析

利用模態(tài)疊加法對連接器進行瞬態(tài)動力學分析，得到各工況下各構件的應力云圖見圖7～9。以LC06工況為例給出連接主體、十字銅套、心軸2、連接軸的相當應力，該工況反映了各工況下主要構件應力水平的一般趨勢。在表3中總結了各工況下主要構件的最大應力。

圖7 LC06工況下連接主體相當應力

圖8 LC06工況下十字襯套相當應力

圖9 LC06工況下心軸2相當應力

表3 各工況下主要構件的最大應力 MPa

根據文獻[10]中《軸精確強度校核》得，連接軸為大直徑鑄造軸，靜強度許用安全系數取為2.5，許用應力為280 MPa；銷軸靜強度許用安全系數取為1.77，許用應力為480 MPa，其他各構件安全系數按照抗變形選取為1.3，許用應力為284 MPa。

分析7種工況的有限元計算結果可知，連接器最大應力均出現(xiàn)在心軸2上，具體位置為心軸2與連接主體耳板開孔邊緣接觸處。心軸2傳遞連接軸上的載荷于連接主體，本身承受較大拉壓、剪切，且該位置與開孔邊緣接觸，承受線載荷，容易出現(xiàn)應力集中。心軸2最大應力為437 MPa，小于許用靜應力480 MPa。連接主體最大應力出現(xiàn)在筋板與耳板圓弧連接處，耳板與液壓缸缸體連接，液壓缸工作時產生的反作用力作用于該區(qū)域，同時該區(qū)域存在結構上的突變，故而應力較大，最大應力258 MPa，小于許用靜應力280 MPa。其余各構件應力水平較低，在各工況下應力水平不超過150 MPa，遠小于各材料許用應力。應力結構表明，連接主體是連接器的主要承載構件，其他構件主要起運動傳動作用；心軸2起力的傳遞作用，本身應力水平較高，這些與以往的經驗相一致。

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3 結束語

1)基于三維勢流理論，在頻域及時域下求解運動方程得到連接器載荷，這種方法能較真實且合理地模擬連接器作業(yè)時所受到的載荷，這種分析方法可以推廣到其他連接器強度分析中。

2)針對連接器整體進行有限元強度計算，避免對單個零部件進行分析所帶來的載荷及約束難以確定的困難，簡化分析過程。仿真計算結果表明，連接器結構強度滿足工程使用要求。

文中有限元分析基于彈性分析理論，未計入非線性變形對應力計算結果的影響；連接器承受實際載荷為周期性，本文分析僅針對最惡劣工況，關于結構的疲勞壽命分析，將在今后的工作中進行研究。

[1] 謝云平,張秀萍,楊鈴玉.海上風電場維護船船型總阻力和縱搖升沉運用研究[J].船海工程,2014,43(2):66-70.

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《船海工程》征稿簡則

《船海工程》創(chuàng)刊于1972年，雙月刊，國內統(tǒng)一刊號：CN 42-1645/U,國際標準刊號：ISSN 1671-7953,是由武漢理工大學和武漢造船工程學會共同主辦的船舶與海洋工程領域專業(yè)學術期刊，中國科技核心期刊，湖北省優(yōu)秀期刊，中國造船工程學會優(yōu)秀科技期刊,獲得中國科協(xié)精品科技期刊工程資助項目和湖北省科協(xié)《科技創(chuàng)新源泉工程》優(yōu)秀科技期刊資助項目。

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Strength Analysis of the Connector of Offshore Wind-farm Maintenance Ship

XIE Yun-ping,ZHANG Yu-tang，KONG Xiang-ming

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Taking the connector of offshore wind-farm maintenance ships as the research object, the loads acting upon the connector in different wave conditions are calculated considering the motions of the ship in mooring state. Then the structural strength of the connector is analyzed by FEM. The numerical results show that the strength of connector can meet the maintenance requirements in mooring state.

wind farm maintenance; connector; structural strength; FEM analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.040

2014-07-15

江蘇省前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2012183)

謝云平(1964-)，男，碩士，高級工程師

U664.6

A

1671-7953(2015)01-0158-05

修回日期：2014-09-02

研究方向:船舶與海洋結構物設計

E-mail:xyp-ecsi@sohu.com