劉仁昌， 趙志堅(jiān)， 王永剛， 李連亮， 黃金林

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

自升式風(fēng)車安裝船站立狀態(tài)總體強(qiáng)度分析

劉仁昌， 趙志堅(jiān)， 王永剛， 李連亮， 黃金林

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

該文闡述了自升式結(jié)構(gòu)物在站立狀態(tài)時(shí)船體結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度分析的基本理論和方法，對(duì)自升式風(fēng)車安裝船在站立狀態(tài)下的船體結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估?；陲L(fēng)浪流環(huán)境條件和插深的設(shè)計(jì)依據(jù)，確定了自存、作業(yè)和預(yù)壓載三種設(shè)計(jì)工況下需開展的計(jì)算工況。在船體結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度分析中考慮了動(dòng)態(tài)放大載荷的影響和非線性放大以及P-delta效應(yīng)的影響，并對(duì)船體梁的中垂變形量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，船體結(jié)構(gòu)在站立狀態(tài)下的總體強(qiáng)度和剛度滿足了DNV規(guī)范要求。

總體強(qiáng)度；自升式風(fēng)車安裝船；動(dòng)態(tài)放大；非線性放大；剛度

0 引言

隨著海上風(fēng)電應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，海上風(fēng)電清潔能源在近幾年得到了大力的推廣和應(yīng)用。海上風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)和維護(hù)需要通過風(fēng)車安裝船來完成，風(fēng)車安裝船也成為近幾年全球海工發(fā)展的重要方向之一。該文研究的風(fēng)車安裝船采用自升式船形結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，包括4條圓筒形樁腿和液壓頂升系統(tǒng)、起重能力為900 t的主吊，主吊以環(huán)繞樁腿的方式布置在左舷尾部樁腿位置。

風(fēng)車安裝船的設(shè)計(jì)工況包括自航工況、從漂浮狀態(tài)到站立狀態(tài)的安裝工況、風(fēng)車安裝作業(yè)工況、自存工況以及從站立狀態(tài)回到漂浮狀態(tài)的回復(fù)工況等[1]。對(duì)于自升式結(jié)構(gòu)物，需要同時(shí)對(duì)船體漂浮狀態(tài)和站立狀態(tài)進(jìn)行整體強(qiáng)度評(píng)估。該文針對(duì)站立狀態(tài)(包括自存、作業(yè)和預(yù)壓載三種工況)下船體結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度進(jìn)行分析和校核，并對(duì)船體梁的中垂變形進(jìn)行評(píng)估[2]。

1 風(fēng)車安裝船主參數(shù)

總長(zhǎng)：133.1 m；型寬：39.2 m；型深：9.8 m；樁腿長(zhǎng)度：81.0 m；樁腿直徑：4.7 m；最大載重量：5 100 t。

2 自升式結(jié)構(gòu)物站立狀態(tài)總體強(qiáng)度有限元分析方法

自升式結(jié)構(gòu)物站立狀態(tài)包括自存、作業(yè)和預(yù)壓載三種設(shè)計(jì)工況。參考DNV規(guī)范[1]的工作應(yīng)力法可以確定三種設(shè)計(jì)工況下需要開展的強(qiáng)度分析工況，見表1、表2。

表1 設(shè)計(jì)工況與裝載工況

注： (1)預(yù)壓載包括在自升式結(jié)構(gòu)物安裝過程中； (2) X表示需要開展計(jì)算的裝載工況。

表2 裝載工況介紹

工作應(yīng)力法是通過將不同載荷類型進(jìn)行組合后的各種工況下計(jì)算得到的應(yīng)力跟材料的最大許用應(yīng)力相比較，達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核目標(biāo)的一種方法。結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度乘以許用的利用率系數(shù)得到對(duì)應(yīng)的最大許用應(yīng)力值。

參考DNV規(guī)范[1]，最大的許用利用率系數(shù)ηP可由下式計(jì)算得到：

(1)

式中：η0為基本利用率系數(shù)，見表3；β是一個(gè)依賴于結(jié)構(gòu)類型、失效形式和結(jié)構(gòu)構(gòu)件柔度來確定的系數(shù)，對(duì)于屈服失效形式和平板加筋板格的屈曲失效形式的校核β值取1.0。

表3 基本利用率系數(shù)

注： 在極端環(huán)境條件下無人操作的海工結(jié)構(gòu)物，對(duì)于裝載工況(b)基本利用率系數(shù)η0此時(shí)可以取為0.84。

對(duì)于自升式結(jié)構(gòu)物站立狀態(tài)的總體強(qiáng)度分析，主要介紹確定性的線性靜態(tài)分析方法[3]。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且適用于較為細(xì)化的大型整船結(jié)構(gòu)有限元模型，并可以通過一些簡(jiǎn)易的處理措施將忽略掉的動(dòng)態(tài)效應(yīng)和非線性因素考慮進(jìn)來，以保證站立狀態(tài)總體強(qiáng)度分析的精度。這些動(dòng)態(tài)效應(yīng)和非線性因素包括波浪載荷引起的自升式結(jié)構(gòu)物水平慣性力的動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)，樁腿在垂向受壓載荷作用下對(duì)樁腿變形和彎矩的非線性放大作用以及P-delta效應(yīng)。

自升式結(jié)構(gòu)物在站立狀態(tài)時(shí)主要承受自重、風(fēng)浪流載荷及海底地基的支撐載荷[4]，如圖1所示。

對(duì)于自升式結(jié)構(gòu)物的自重，在站立狀態(tài)總體強(qiáng)度分析時(shí)需要選用甲板可變載荷最大時(shí)的滿載狀態(tài)，且甲板可變載荷布置在使得結(jié)構(gòu)物總體強(qiáng)度最危險(xiǎn)的可能存在的位置。

一般圍繞自升式結(jié)構(gòu)物360°來浪方向范圍選擇合適的角度間隔，確定來浪方向個(gè)數(shù)，且風(fēng)浪流載荷在同一來浪方向下總是假定保持相同的作用方向。波浪在任意浪向下需要確定相位角間隔，一般取10°，在整個(gè)波浪的360°周期范圍內(nèi)分為36個(gè)相位位置，通過DNV的Sesam/Wajac軟件搜索每個(gè)浪向下36個(gè)相位位置中的基底剪力和傾覆力矩分別為最大值的時(shí)刻進(jìn)行強(qiáng)度校核。

風(fēng)浪流載荷除了船級(jí)社規(guī)范要求外，一般按照所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)報(bào)告提供的環(huán)境條件進(jìn)行選擇。除了選用各個(gè)工況下對(duì)應(yīng)的最大波高外，還需要考慮波浪周期范圍跟結(jié)構(gòu)物固有周期之間發(fā)生的動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)。

參考DNV規(guī)范[3]，波浪周期與結(jié)構(gòu)物固有周期之間共振引起的對(duì)結(jié)構(gòu)物慣性力的動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)可以通過動(dòng)態(tài)放大系數(shù)和基底剪力計(jì)算，并將此載荷以水平力的方式施加到結(jié)構(gòu)物重心位置，載荷施加方向與對(duì)應(yīng)浪向下的風(fēng)浪流作用方向相同，從而將動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)疊加到了線性靜態(tài)分析中。圖2為基于基底剪力和動(dòng)態(tài)放大系數(shù)的動(dòng)態(tài)放大載荷求解。

圖1 自升式結(jié)構(gòu)物載荷-站立狀態(tài) 圖2 動(dòng)態(tài)放大載荷求解

在圖2中：QM為總基底剪力的平均值；QA為總的基底剪力的幅值；DAF為動(dòng)態(tài)放大系數(shù)；QA(DAF-1) 為基于基底剪力求得的動(dòng)態(tài)放大載荷，將以水平力的方式施加在結(jié)構(gòu)物重心位置。

動(dòng)態(tài)放大系數(shù)的求解公式如下：

(2)

式中：T0為自升式結(jié)構(gòu)物固有周期；T為波浪周期；ξ為自升式結(jié)構(gòu)物處于站立狀態(tài)時(shí)的阻尼比。

參考DNV自升式結(jié)構(gòu)物規(guī)范[3]，阻尼比ξ可以取在6%～9%之間，且一般不大于7%；結(jié)構(gòu)物與波浪發(fā)生共振時(shí)，考慮不規(guī)則波浪的影響，可以選用的阻尼比計(jì)算公式：

(3)

自升式結(jié)構(gòu)物處于站立狀態(tài)時(shí)，一般前三階最低固有頻率對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)物整體的縱向變形位移、橫向變形位移和水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)變形位移。求解動(dòng)態(tài)放大載荷時(shí)一般選取此三階固有周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)放大系數(shù)的求解和最大值的搜索。

P-delta效應(yīng)也可以通過施加在結(jié)構(gòu)物上的一個(gè)水平力H來進(jìn)行代替，代表P-delta效應(yīng)的水平力計(jì)算公式如下：

(4)

式中：W為自升式結(jié)構(gòu)物在站立狀態(tài)時(shí)從船底基線向上部分的總重量；Δ為某個(gè)風(fēng)浪流作用方向上船體的水平位移；l為樁腿底端約束點(diǎn)到樁腿和船體連接點(diǎn)的垂向距離。對(duì)于上、下導(dǎo)向間存在鎖緊系統(tǒng)的情況，樁腿和船體的連接點(diǎn)一般認(rèn)為處于下導(dǎo)向到鎖緊點(diǎn)間距離一半的位置；水平力H施加在距離底部約束點(diǎn)垂向距離為l的平面內(nèi)，且作用點(diǎn)為總重量W的重心在此平面上的投影。

結(jié)構(gòu)物水平位移Δ由下式求得到：

(5)

式中：α為非線性放大系數(shù)；eo為自升式結(jié)構(gòu)物由于建造和安裝過程中存在的誤差和船體的傾斜導(dǎo)致的站立狀態(tài)下船體相對(duì)于樁腿底部位置的水平相對(duì)位移，按照DNV規(guī)范要求[3]，eo一般不小于0.005l；e為站立狀態(tài)下自升式結(jié)構(gòu)物由于風(fēng)浪流和動(dòng)態(tài)放大作用引起的船體水平側(cè)向的一階位移。

非線性放大系數(shù)α由下式求得：

(6)

式中：P為單根樁腿承受的平均軸向載荷；PE為單根樁腿的Euler屈曲載荷。

海底地基對(duì)樁靴底部的支撐作用，在總體強(qiáng)度分析中一般可通過底部加約束的相對(duì)保守的簡(jiǎn)易方式模擬。約束點(diǎn)取樁腿入泥深度的一半或樁靴高度的一半處，取兩者的較小值?？紤]到海底泥土對(duì)樁靴的約束作用，在沒有開展樁靴與海底土壤相互作用分析時(shí)，一般選用將約束點(diǎn)進(jìn)行固支和鉸支兩種約束條件。

3 載荷與分析工況

3.1 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷主要是風(fēng)浪流載荷，自存、作業(yè)和預(yù)壓載三種設(shè)計(jì)工況下的環(huán)境條件分別見表4、表5、表6。整船結(jié)構(gòu)有限元模型通過Genie軟件完成，整船有限元模型和風(fēng)浪流載荷的施加如圖3所示。

表4 自存設(shè)計(jì)工況環(huán)境條件

表6 預(yù)壓載設(shè)計(jì)工況環(huán)境條件

表5 作業(yè)設(shè)計(jì)工況環(huán)境條件

圖3 風(fēng)車安裝船有限元模型和風(fēng)浪流載荷施加

3.2 動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)與P-delta效應(yīng)

在風(fēng)車安裝船的動(dòng)態(tài)放大載荷求解中，阻尼比ξ分別按7%與13%兩數(shù)值進(jìn)行了考慮，整船固有周期則通過Genie軟件的特征值分析計(jì)算得到，波浪周期考慮風(fēng)車安裝船設(shè)計(jì)給出的波浪對(duì)應(yīng)的周期范圍，在此基礎(chǔ)上計(jì)算并搜索得到動(dòng)態(tài)放大系數(shù)的最大值，并保守地應(yīng)用于所有的計(jì)算工況。

對(duì)于風(fēng)車安裝船樁腿和船體之間采用插銷加液壓頂升系統(tǒng)連接方式的情況，該文基于對(duì)DNV規(guī)范的理解，將樁腿和船體之間的連接點(diǎn)設(shè)置于上下導(dǎo)向之間距離一半的位置，同時(shí)確定了l的值與代表P-delta效應(yīng)的水平載荷H的施加位置。

圖4 整船重量施加

3.3 其他載荷

除了環(huán)境載荷之外，在整船結(jié)構(gòu)有限元模型中還施加了結(jié)構(gòu)重量、甲板可變載荷以及液艙內(nèi)液體的重量。整船結(jié)構(gòu)重量和總的空船重量分別參考重量報(bào)告，對(duì)整船有限元模型進(jìn)行調(diào)整，保證整船有限元模型中的質(zhì)量分布跟重量報(bào)告保持一致。

自存和預(yù)壓載設(shè)計(jì)工況時(shí)風(fēng)車安裝船甲板上承載的風(fēng)車重量最大值為5 100 t，主吊不作業(yè)；作業(yè)設(shè)計(jì)工況時(shí)，主吊吊重900 t，吊重處于最大外伸位置，且考慮了主吊不同的旋轉(zhuǎn)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)角度間隔為45°，共8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度工況，甲板上承載的風(fēng)車重量則減為4 200 t。

在作業(yè)設(shè)計(jì)工況中，主吊吊重900 t，同時(shí)考慮了由于吊機(jī)旋轉(zhuǎn)作業(yè)引起的動(dòng)態(tài)放大作用，參考DNV規(guī)范[6]施加1.1倍的動(dòng)態(tài)系數(shù)，整船重量施加如圖4所示。

3.4 計(jì)算工況

參考站立狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)和總體強(qiáng)度分析的目標(biāo)，判斷和確定最危險(xiǎn)分析工況的數(shù)據(jù)見表7，比較后確定的最危險(xiǎn)分析工況見表8[7]。

表7 自存、作業(yè)和預(yù)壓載設(shè)計(jì)工況中對(duì)總體強(qiáng)度產(chǎn)生影響的因素比較

表8 自存、作業(yè)和預(yù)壓載設(shè)計(jì)工況分別的最危險(xiǎn)工況

注： 作業(yè)設(shè)計(jì)工況下，1.5 m插深時(shí)船底到水面距離14.1 m更大，因此在9.65 m插深目標(biāo)分析工況時(shí)風(fēng)速需要基于假定的船底高于水面14.1m的情況進(jìn)行設(shè)置。

對(duì)于風(fēng)車安裝船的預(yù)壓載，采取了對(duì)角兩樁腿一起預(yù)壓載的方式，并分別考慮被預(yù)壓樁腿底部固支和鉸支兩種邊界條件，分4次完成風(fēng)車安裝船預(yù)壓載狀態(tài)的總體強(qiáng)度分析。

預(yù)壓載時(shí),被預(yù)壓的兩條樁腿的目標(biāo)調(diào)節(jié)載荷為所有自存和作業(yè)設(shè)計(jì)工況總體強(qiáng)度分析中得出的樁腿底部的最大垂向支反力，在預(yù)壓載樁腿底部的垂向支反力達(dá)到目標(biāo)調(diào)節(jié)載荷的同時(shí)，還需要考慮預(yù)壓載設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)浪流環(huán)境載荷，但預(yù)壓載時(shí)沒有考慮動(dòng)態(tài)放大效應(yīng)和P-delta效應(yīng)。

考慮到4條樁腿呈長(zhǎng)方形分布，風(fēng)浪流作用方向采用45°間隔，從0°～360°的范圍分為8個(gè)來浪方向，每個(gè)浪向的相位角間隔為10°，在波浪360°周期范圍內(nèi)分為36個(gè)相位位置。

在作業(yè)設(shè)計(jì)工況中，除了8個(gè)來浪方向外，主吊吊重900 t繞著風(fēng)車安裝船一周360°范圍內(nèi)也選擇了8個(gè)位置，每?jī)蓚€(gè)位置之間的間隔為45°。浪向的定義如圖5所示，主吊吊重900 t，在作業(yè)工況時(shí)的位置定義如圖6所示。

圖5 浪向定義 圖6 主吊吊重900 t位置工況

4 總體強(qiáng)度分析結(jié)果

4.1 許用應(yīng)力

整船船體結(jié)構(gòu)(不包括樁腿和樁靴結(jié)構(gòu))用到的結(jié)構(gòu)材料和許用應(yīng)力見表9。

表9 船體結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

4.2 總體強(qiáng)度分析結(jié)果

在總體強(qiáng)度分析模型中樁腿簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，船體結(jié)構(gòu)通過殼單元模擬?？傮w強(qiáng)度有限元分析結(jié)果如圖7、圖8所示，兩圖皆為所在設(shè)計(jì)工況下所有計(jì)算工況的最大Von mises應(yīng)力的搜索結(jié)果。

圖7 裝載工況(a) 中Von mises應(yīng)力結(jié)果 圖8 裝載工況(b)中Von mises應(yīng)力結(jié)果

圖9 加筋板受力狀態(tài)-面內(nèi)應(yīng)力與側(cè)面壓力

圖10 垂向變形量示意圖

4.3 船體結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度

風(fēng)車安裝船處于站立狀態(tài)時(shí)，船體梁整體主要產(chǎn)生中垂變形，甲板承受較大的面內(nèi)壓應(yīng)力。此外，由于船體結(jié)構(gòu)脫離了水面，底板和舷側(cè)外板不承受垂直板面的側(cè)向水壓力作用，但主甲板承載較大的風(fēng)機(jī)重量的側(cè)向壓力作用，主甲板結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)如圖9所示。因此，針對(duì)站立狀態(tài)時(shí)最為危險(xiǎn)的主甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屈曲強(qiáng)度校核。

應(yīng)用根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范[8]編制的后處理計(jì)算表格，對(duì)主甲板承載較大的板架結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，包括加筋板格的整體屈曲、非加筋板格、大梁、筋等局部屈曲，校核結(jié)果顯示主甲板結(jié)構(gòu)滿足屈曲強(qiáng)度要求。

4.4 船體結(jié)構(gòu)中垂變形

參照DNV規(guī)范[2]，允許的最大變形量為δmax≤L/250，最大變形量δmax和跨距L如圖10所示。

(7)

圖11 船體結(jié)構(gòu)中垂變形

式中：δmax為總的最大變形量；δ0為結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的預(yù)起拱值；δ1為由于永久性載荷引起的變形；δ2為可變載荷引起的變形與永久性載荷引起的時(shí)效變形之和。

風(fēng)車安裝船樁腿縱向間距為70m，可求得允許的最大變形量為L(zhǎng)/250=0.28m

計(jì)算得到的總變形量0.062m，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的許用值0.28m，所以船體梁在站立狀態(tài)時(shí)的中垂變形能夠滿足DNV對(duì)結(jié)構(gòu)變形量的剛度要求，船體中垂變形如圖11所示。

5 結(jié)論

該文基于DNV和SNAME對(duì)自升式結(jié)構(gòu)物在站立狀態(tài)下的總體強(qiáng)度要求，結(jié)合風(fēng)浪流環(huán)境條件、樁腿布置和作業(yè)特點(diǎn)，確定了自存、作業(yè)和預(yù)壓載時(shí)需要進(jìn)行校核的相關(guān)危險(xiǎn)工況，計(jì)算得到了各工況下船體結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平，完成了船體結(jié)構(gòu)部分的總體強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果滿足了DNV和SNAME的規(guī)范要求，有如下分析和結(jié)論：

(1) 基于波浪載荷總的基底剪力和傾覆力矩為搜索目標(biāo)的總體強(qiáng)度分析，確定工況時(shí)需要同時(shí)考慮風(fēng)浪流載荷的大小、載荷作用位置(即力臂)、樁腿跨距和樁腿底部邊界條件等多個(gè)因素的綜合影響，載荷作用位置與樁腿跨距的確定跟樁腿入泥深度、水深、船底離水面的高度等有關(guān)。

(2) 對(duì)于4條樁腿的自升式結(jié)構(gòu)物來說，樁腿距離更近的橫向是產(chǎn)生樁腿和船體之間最大相互作用力的方向，在下導(dǎo)向位置處樁腿橫截面上的彎矩主要依靠上下導(dǎo)向?qū)锻鹊乃搅ψ饔眯纬傻膹澗亍㈨斏到y(tǒng)與樁腿連接的插銷位置處的垂向力形成的彎矩來共同抵抗；在主要依靠上下導(dǎo)向?qū)锻鹊乃搅ψ饔眯纬傻膹澗氐挚箻锻葯M截面彎矩的情況下，上下導(dǎo)向間的垂向距離非常關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)初期升降室高度尺寸確定的一個(gè)重要參考因素。

(3) 相對(duì)于采用6條樁腿設(shè)計(jì)的船形自升式風(fēng)車安裝船，4條樁腿的設(shè)計(jì)不可避免的會(huì)出現(xiàn)較大的樁腿縱向間距，這時(shí)船體梁處于站立狀態(tài)的中垂變形需要在設(shè)計(jì)初期重點(diǎn)關(guān)注，特別是對(duì)于大尺度、有較大甲板承載能力要求的風(fēng)車安裝船。

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[8] DNV-RP-C201.Buckling strength of plated structures[S]. 2010.

Jack-up WTIV Global Strength Analysis in Elevated Conditions

LIU Ren-chang, ZHAO Zhi-jian, WANG Yong-gang,LI Lian-liang, HUANG Jin-lin

(COSCO-Shipyard Group Company Limited, Liaoning Dalian 116600, China)

The theory and methodology of the global strength analysis for Jack ups in elevated conditions are introduced, and the global strength for the jack up WTIV in elevated conditions is verified. Based on the environmental conditions and the penetration prediction of the project, relevant load cases are confirmed for the survival, operation and pre-loading design conditions. In the global strength analysis the dynamic amplification effect, non-linear amplification and P-delta effect are taken into account. The hogging deformation of the hull structure is also assessed based on the analysis result. From the result it can be shown the global strength and the rigidity of the main hull structure in elevated conditions fulfill the requirement of DNV offshore rules.

global strength; jack-up wind turbine installation vessel(WTIV); dynamic amplification; non-linear amplification; rigidity

2015-05-25

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝2011536號(hào))。

劉仁昌(1980-)，男，工程師。

1001-4500(2015)04-0093-08

U69

A