姚震球，馬義猛，韓 強，嚴(yán)周廣

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引 言

風(fēng)電機組的安裝是海上風(fēng)電場建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。自航自升式海上風(fēng)機吊裝作業(yè)船是海上風(fēng)電場建設(shè)的第三代吊裝工作平臺，具備自航、自升、運輸和起重等復(fù)合功能，將成為海上風(fēng)電場建設(shè)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(nèi)尚無專門規(guī)范可用于直接指導(dǎo)該船型的設(shè)計。

要完成自航自升式海上風(fēng)機吊裝作業(yè)船結(jié)構(gòu)設(shè)計并得到比較精確的變形和應(yīng)力結(jié)果，應(yīng)用有限元方法對整船結(jié)構(gòu)強度進(jìn)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(gòu)件按其受力狀況建立模型，詳盡地描述船體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),可以真實地表達(dá)出全船結(jié)構(gòu)及其與起重座、樁腿等重要受力結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系與變化情況，從而獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)論。本文以86 m自航自升式海上風(fēng)機運輸、吊裝專用工作船為例，介紹有限元結(jié)構(gòu)分析過程。分析計算工作均采用MSC.NASTRAN軟件完成。

2 海上風(fēng)機吊裝作業(yè)船船型特點與結(jié)構(gòu)形式

2.1 主要要素

海上風(fēng)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(shè)有球鼻艏，平甲板，尾部設(shè)2臺全回轉(zhuǎn)槳，艏部2臺側(cè)推。其主尺度及主要參數(shù)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(shè)計吃水：3.0 m 方形系數(shù)：0.85

航速：8 kns 肋距：0.6 m

裝載量：5MW風(fēng)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(shù)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(jié)構(gòu)形式和特點

該船為單甲板、單底、縱骨架式全焊接鋼質(zhì)海上風(fēng)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(cè)距中7.5 m處設(shè)有三道縱艙壁，每個縱艙壁設(shè)置5道縱骨；縱向強框架的間距為3個縱骨間距；內(nèi)龍骨與甲板縱桁各12道，上下、左右對稱布置；舷側(cè)外板設(shè)置6道縱骨，另外全船設(shè)置有48根支柱。

全船設(shè)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(gòu)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(gòu)件設(shè)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(jié)構(gòu)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(cè)外板、縱橫艙壁等板殼結(jié)構(gòu)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(gòu)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(guān)系，要求兩個構(gòu)件網(wǎng)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(jié)構(gòu)，以及縱桁、實肋板、強橫梁、強肋骨、強扶強材等強構(gòu)件的面板和肘板的折邊等。

網(wǎng)格大小保持在一個縱骨間距三個單元的量級水平，使得結(jié)構(gòu)單元比較精細(xì)。主要構(gòu)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(jié)構(gòu)以及上層建筑進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略了船體結(jié)構(gòu)中一些小的肘板、開孔等次要因素。另外，為模擬吊機基座結(jié)構(gòu)、樁腿與船體連接處結(jié)構(gòu)以及風(fēng)機各部件在甲板裝載處并施加相應(yīng)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(jié)構(gòu)的強度及各主要構(gòu)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(yù)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(jié)構(gòu)的剛體運動被支座所限制，以便計算結(jié)構(gòu)的相對變形。為此必須給浮動船體加上適當(dāng)?shù)募s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(jié)構(gòu)的受力，這樣求出的相對變形與內(nèi)力才是真實的。

（1）波浪航行狀態(tài)下

船體結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)十分復(fù)雜。一般而言，如果結(jié)構(gòu)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(yīng)盡可能遠(yuǎn)離將來所關(guān)心的應(yīng)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(guān)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(dǎo)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(xì)致，故可以將結(jié)構(gòu)自身以慣性力g的形式進(jìn)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(shè)備重量100 t，按其所處的區(qū)域以MPC的形式作用在對應(yīng)的結(jié)構(gòu)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(yīng)艙室的結(jié)構(gòu)節(jié)點中。

（5） 壓載水

本船共設(shè)置四種壓載水艙以對浮態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在Fr7～Fr40設(shè)置4個，在Fr134～Fr143設(shè)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(fēng)載荷[6]

本海上風(fēng)機運輸?shù)跹b船。其設(shè)計適航環(huán)境為：浦氏6級，風(fēng)速10.8～13.8 m/s，浪高3～4 m。設(shè)計風(fēng)速V取值為13.5 m/s。

風(fēng)壓P可按下式計算：

作用于構(gòu)件上的風(fēng)力F應(yīng)按下式計算，并應(yīng)確定合力作用點的垂直高度。

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

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(fēng)機（塔筒、機艙、輪轂葉片）等部件所受風(fēng)載荷。風(fēng)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(jié)構(gòu)，按（1）式計算的風(fēng)壓施加到模型上；

②對于起重機、樁腿、風(fēng)機各部件等，按風(fēng)力引起的彎矩施加到模型上。

5.3 吊機、風(fēng)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(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點上。

吊臂自重及自重引起的彎矩與所受風(fēng)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(fēng)機自重

設(shè)計單程運輸量：4套單機容量5MW的風(fēng)機。采用“兔耳式”的方式進(jìn)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(fēng)載荷引起的彎矩忽略。風(fēng)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(yīng)的風(fēng)機部件與甲板結(jié)構(gòu)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(jìn)行加載。

（1）滿載靜水狀態(tài)

根據(jù)滿載狀態(tài)所形成舷外水壓力的函數(shù)，通過定義與垂向坐標(biāo)z線性相關(guān)的域（field）函數(shù)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(shù)為：

在基線處：Pb=10d+1.5CwkN/m2；

在水線處：Pw=3CwkN/m2；

在舷側(cè)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(jīng)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(jié)果分析

通過全船結(jié)構(gòu)有限元計算分析，各工況下船體板單元、梁單元最大應(yīng)力結(jié)果匯總于表2，主船體位移（變形）結(jié)果匯總?cè)绫?。各許用應(yīng)力值參照規(guī)范[9]中所提供強度標(biāo)準(zhǔn)。

表2 各工況下船體各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(yù)壓、起吊和單腿故障等典型工況下應(yīng)力及位移變形云圖。

圖3 波浪航行工況（LC-hangxing）應(yīng)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(yīng)力與變形云圖Fig.4 The stress and deformation nephogram under self-rise condition

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

由表2及各工況應(yīng)力云圖可知，船體各單元最大應(yīng)力發(fā)生在橫風(fēng)、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(yīng)力為175 MPa（工況4.1）,梁單元最大應(yīng)力為164 MPa（工況2.2）,均小于船體結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力177 MPa。船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高的位置，主要是吊機基座及固樁架與船體結(jié)構(gòu)連接部位。由于固樁架是主要受力結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中采用了強度較高的材料，且結(jié)構(gòu)尺寸較大，故應(yīng)力水平不高[10]。上述最大應(yīng)力計算值均在材料的屈服應(yīng)力以內(nèi)，所以全船結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

圖6 起吊工況—工況4.1（Lift-H-head_80）應(yīng)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(yīng)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(shè)計要求。

7 結(jié) 論

對海上風(fēng)機吊裝作業(yè)船的全船結(jié)構(gòu)強度有限元分析計算表明：

（1）本船的應(yīng)力與變形計算結(jié)果表明，船體各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均在材料屈服應(yīng)力以內(nèi)，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(yù)壓、自升、起吊和單腿失效等典型工況，在航行、自升工況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平不高，安全系數(shù)較高；自升后起吊狀態(tài)下，船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平較高，尤以橫風(fēng)、吊臂為船長方向起吊荷載時，應(yīng)力最大，部分工況接近船體材料許用應(yīng)力，在樁腿處橫艙壁與舷側(cè)板有應(yīng)力集中現(xiàn)象；船舶在單腿失效和預(yù)壓狀態(tài)下，樁腿圍阱處外板應(yīng)力比較大。

（3）應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，這部分結(jié)構(gòu)，既要傳遞巨大豎向載荷，又要承受和抵抗風(fēng)載荷產(chǎn)生的水平載荷。

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

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