張家銳， 陳超核

(1.廣東船舶與海洋工程技術研究開發(fā)中心， 廣東 廣州 511458； 2.華南理工大學， 廣東 廣州 510640)

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風電運維船結構設計及強度有限元分析

張家銳1，2， 陳超核1，2

(1.廣東船舶與海洋工程技術研究開發(fā)中心， 廣東 廣州 511458； 2.華南理工大學， 廣東 廣州 510640)

摘要相較于單體船，雙體船型航速高、耐波性好、航行平穩(wěn)、操縱靈活，其突出的優(yōu)點適宜用作支援風電維護工作的專用船型。本文的研究對象是一艘專門用于風電維護工作的鋁合金雙體船。根據(jù)規(guī)范，參照總體布置對雙體船結構進行了設計，并采用直接計算法對其總橫強度、抗扭強度和連接剪切強度進行校核。通過比較主船體和全船模型的應力分布情況，分析了上層建筑對強度的影響，最后根據(jù)分析結果對其設計過程提出了幾點建議。

關鍵詞風電運維船結構設計強度計算有限元分析雙體船

0引言

隨著海上風電場技術的發(fā)展和風電場的大規(guī)模建設，風電維護船的需求會越來越大，設計并建造適合海上風電維護的船舶也就成為風電維護亟待解決的問題。雙體船型由于具有速度快、穩(wěn)性和耐波性良好、甲板作業(yè)面積大，操縱性和機動性靈活等優(yōu)點[1]，比較適宜用作風電維護工作的專用船型。

雙體船由兩個瘦長的單體船(片體)組成，上部用連接橋牢固地連接在一起，連接兩片體的連接橋寬度較大，要求具有充分的橫向強度和抗扭強度[2]。和單體船不同的是，雙體船的總縱強度容易保證，但雙體船在遭受橫浪和斜浪時會使連接橋承受橫彎和扭矩，因此結構設計中要充分考慮橫向強度和扭轉強度，以保證連接橋有足夠的強度?，F(xiàn)有規(guī)范中對連接橋設計的規(guī)定很少，國外在這方面已進行的研究[3-4]主要是采用有限元的分析方法研究雙體船的強度，因此本文采用結構有限元軟件對其進行橫向強度和扭轉強度的直接計算。

鋁的密度是2.7 t/m3，僅為鋼的1/3，并具有耐海水腐蝕能力強，無低溫脆性等特點，因此采用鋁合金建造的船舶較鋼船具有結構重量輕、耐腐蝕、在相同的航速下所需的推進功率低等諸多優(yōu)點[5]。但是鋁合金材料的焊后屈服強度相對較低，故鋁合金船舶需要重點考慮其強度問題。魏利[6]一文中主要是參照規(guī)范對風電場進行結構設計，并應用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立全船的有限元模型進行有限元分析。該文涉及的是鋼質船，并且在有限元分析中未考慮上層建筑對總體強度的影響。管義鋒等[7]一文中采用直接計算法對某小型雙體鋁合金客船進行全船有限元分析，對總橫強度、抗扭強度和連接橋剪切強度進行校核分析，分析過程未考慮上層建筑對總體強度的影響。

1雙體船結構設計

1.1雙體船主要參數(shù)介紹

本文的結構設計對象是一艘20 m、服務于珠江口遮蔽航區(qū)的高速雙體船，該船的主要用途是運送維護技術人員及工具設備至海上風電場，進行風電設備的維護和檢修工作?？偛贾脠D如圖1所示。

該船主要參數(shù)為總長20.0 m，水線長19.1 m，型寬6.0 m，片體寬1.8 m，型深3.2 m，設計吃水1.4 m，滿載排水量71.4 t，航速20 kn，航區(qū)為遮蔽航區(qū)。本船主船體為鋁合金結構、單甲板、單底、縱骨架式，每個肋位設置強橫梁、強肋骨、實肋板組成橫向平面框架：兩片體之間的連接橋結構采用橫骨架式結構。所用鋁合金材料性能參數(shù)見表1。

圖1　總布置圖

材料屈服強度/N·mm-2焊后屈服強度/N·mm-2板材5083H321215125型材6082T6240115

1.2結構規(guī)范計算

本船結構規(guī)范計算根據(jù)CCS《海上高速船入級與建造規(guī)范》(2012)[8](下文簡稱《高規(guī)》)制定。根據(jù)《高規(guī)》4.4首先計算不同部位不同構件的設計計算壓力值，然后根據(jù)《高規(guī)》4.5對鋁船體結構的構件尺寸進行設計，得到在該壓力下規(guī)范所要求的構件參數(shù)。經過規(guī)范計算校核的主要構件尺寸如表2所示。

表2　經過規(guī)范計算校核的主要構件尺寸　　　　　　　　　　　單位：mm

2結構計算模型

2.1結構分析模型

根據(jù)《高規(guī)》的要求，借助ANSYS WORKBENCH軟件對該雙體鋁合金高速船進行全船有限元分析，參考《高規(guī)》附錄2的直接計算法施加邊界條件和載荷，通過計算可以獲得全船應力分布和變形規(guī)律。

該模型取包括上層建筑在內的全船結構，模型外板及橫艙壁板等均采用殼單元模擬，其他骨材采用2節(jié)點梁單元模擬。本船為左右對稱結構，模型總節(jié)點數(shù)為36 597，單元數(shù)為37 654，材料為耐腐蝕高強度鋁合金，彈性模量E=0.69×105N/mm2，泊松比0.3，模型如圖2所示。根據(jù)《高規(guī)》要求，對其總橫強度、抗扭強度、連接橋剪切強度進行校核。

圖2　全船有限元模型

2.2載荷及邊界條件

《高規(guī)》附錄2中對載荷2.2和邊界條件4.2都有具體的規(guī)定。

2.2.1雙體船橫向彎曲

按《高規(guī)》4.8.6.1，雙體船的縱橫彎矩按下式計算：

(1)

式中：Mt為縱橫彎矩，kN·m；C1為根據(jù)航區(qū)不同提供的航區(qū)系數(shù)，查得遮蔽航區(qū)為C1=0.125；b為片體中心線間距，b=4 m；《高規(guī)》附錄2中2.2.2規(guī)定，Mt在計算時，全船重心處的垂向加速度acg的取值不小于9.81 m/s2。acg按《高規(guī)》4.4.1.2公式計算：

(2)

式中：g為重力加速度，取g = 9.81 m/s2；VH為船在有義波高H1/3的波浪中航行的航速，取最大服務航速20 kn；H1/3為有義波高，取遮蔽航區(qū)營運限制 H1/3max=2.0 m；β為船體重心處橫剖面的船底升角，取β=30°；KT為船舶類型系數(shù)，KT=1；BWL為設計水線寬，取兩片體水線寬度3.6 m；Δ為排水量，71.7 t。將以上數(shù)值代入公式，得acg=5.21 m/s2；Mt=350.22 kN·m。

進行有限元分析時一般將橫向彎矩對船體的作用等效為橫向對開力Fy(見圖3)，F(xiàn)y的大小按下式確定：

圖3　橫向對開力示意圖

(3)

式中：y為連接橋中和軸(橫截面在此軸線彎曲正應力為0)至水線的垂直距離，取1.3 m；d為吃水，m。將相關數(shù)據(jù)代入后，F(xiàn)y=206.01 kN。在進行具體加載操作時，F(xiàn)y將以若干集中力的形式施加到船體節(jié)點上。每個節(jié)點處的集中力為Fy的值除以所要施加載荷的節(jié)點個數(shù)。

此種工況下，根據(jù)《高規(guī)》附錄2中4.2，可以在船艏和船艉連接橋結構上選取三個點施加邊界條件。所選取的點如圖4所示，對A點X，Y，Z三個自由度約束，對B點Y，Z兩個自由度約束，對C點Z自由度約束或者對C′點Y自由度約束。

圖4　橫彎邊界約束

2.2.2雙體船扭轉

按《高規(guī)》4.8.6.4，各類雙體船的兩片體因不同步縱搖引起的對橫向(即船寬方向)扭矩按下式計算：

(4)

此扭矩對于船體的作用，可以通過施加在片體上的垂向剪力來模擬。本文以均布節(jié)點力施加在片體底部中縱桁上的形式來模擬扭矩對船體產生的作用，所選取的點如圖5所示，對A點X，Y，Z三個自由度約束，對B點X，Z兩個自由度約束，對C點Z自由度約束或者對C′點X自由度約束。

2.2.3連接橋垂向剪切

按《高規(guī)》4.8.6.3，雙體船在連接橋結構縱中剖面處的垂向剪力按下式計算：

圖5　扭轉邊界約束

(5)

式中：Qt為垂向剪力，kN；C2為航區(qū)系數(shù)，遮蔽航區(qū)為C2=0.167；計算得Qt=116.97 kN。

此剪力對船體的作用，采用等效、對稱、同向的節(jié)點力施加在縱向主要構件上來模擬。Qt除以節(jié)點個數(shù)所得到的力大小即是要施加到節(jié)點上的節(jié)點力。選取的約束點如圖6所示，對A點X，Y，Z三個自由度約束，對B點Y，Z兩個自由度約束，對C點Y自由度約束，對D點Z自由度約束。

圖6　垂向剪切邊界約束

3計算結果分析

3.1總強度許用應力

《高規(guī)》附錄2中4.4對總橫強度、抗扭強度、剪切強度的許用應力要求如表3所示。

表3　板、梁單元許用應力

表3中：σsw為材料焊接后的屈服強度，鋁合金板材σsw為125 N/mm2，型材σsw為115 N/mm2。

3.2有限元計算結果

3.2.1橫彎工況作用下的計算結果及分析

板單元部分的Von Mises 應力云圖如圖7(a)、圖7(b)所示。從計算結果可知，全船構件所受應力均較小。出現(xiàn)應力集中的地方是連接橋和片體接口部位，從整個應力分布圖上可以知道連接橋和橫艙壁處的應力都較大，是主要受力構件。另外，上層建筑與甲板連接的地方以及結構不連續(xù)的甲板升高處都出現(xiàn)了較明顯的應力集中。全船結構中，應力集中的最大值出現(xiàn)在5#肋位處的橫艙壁與連接橋底板連接部位，應力值為57.80 N/mm2。主船體中，艙壁與連接橋底板和甲板相連的部位普遍出現(xiàn)了應力集中的現(xiàn)象，其他部分所受應力均較小，最大應力值出現(xiàn)在5#肋位處的橫艙壁與連接橋底板連接部位，應力值為54.50 N/mm2。

圖7　橫彎工況全船構件Von Mises應力云圖

3.2.2扭轉工況作用下的計算結果及分析

扭轉工況下板單元部分的Von Mises 應力云圖如圖8(a)、圖8(b)所示。從計算結果可知，此時連接橋和片體總體出現(xiàn)了反對稱扭轉變形。整個船體整體應力水平比橫向彎曲工況時要大，整個連接橋結構尾部所受的應力明顯大于首部，而且在橫艙壁與連接橋交接的肋位處均出現(xiàn)了較大的集中應力。全船結構中，上層建筑內靠近開口的地方以及與連接橋甲板連接的地方都出現(xiàn)了應力集中的現(xiàn)象，同時窗戶附近應力也較大；主船體結構中，應力分布與全船結構應力分布規(guī)律基本一致，但是由于沒有上層建筑的影響，其應力水平稍大于全船結構應力水平，局部位置因受上層建筑影響稍大而有所不同。在不同步縱搖扭矩的作用下，全船結構(包括上層建筑)中，應力集中最大值出現(xiàn)在船尾連接橋底板與片體連接處，其值為37.90 N/mm2；主船體結構中，應力最大值也是出現(xiàn)在船尾連接橋底板與片體連接處，其值為43.80 N/mm2。

圖8　扭轉工況全船構件Von Mises應力云圖

3.2.3垂向剪切作用下的計算結果及分析

垂向剪切作用下的全船應力云圖如圖9(a)、圖9(b)所示。從計算結果可知，船體出現(xiàn)了輕微的橫向中垂變形，全船構件所受應力均較小。橫向上看，連接橋甲板上所受到的應力明顯大于兩片體甲板區(qū)域所受到的應力；縱向上看，外板首尾部位應力較高，船中部位應力較低；出現(xiàn)應力集中的部位是艙壁與連接橋底板相連的部位以及橫隔板與連接橋甲板相連的部位，筆者認為主因是船體在受到垂向剪切作用時，船體產生變形，艙壁與連接橋作用使其出現(xiàn)了應力集中。在此種工況中，上層建筑構件所受應力均較小，只在上層建筑與甲板連接部位和靠近船中的開口部位出現(xiàn)了稍大的應力集中。全船結構中，應力集中的最大值發(fā)生在5#肋位處的連接橋橫隔板與連接橋甲板連接部位，其值為36.50 N/mm2；主船體結構中，應力集中的最大值發(fā)生在5#肋位處的連接橋橫隔板與連接橋甲板連接部位，其值為25.30 N/mm2。

圖9　垂向剪切工況全船構件Von Mises應力云圖

板單元的應力結果見表4，通過計算分析校核，可以確定該雙體船的結構設計強度滿足規(guī)范要求。

表4　板單元的等效應力和剪切應力　　　　　　　　　　　　單位： N/mm2

4結論

通過對此雙體船進行有限元分析計算，可以得出以下結論：

(1) 通過有限元的分析計算，經過設計的雙體船的結構滿足《高規(guī)》對雙體船總強度的要求。論文中的結構設計過程以及全船有限元分析法校核鋁合金船體結構強度的方法，可以為以后同類船的結構設計和強度校核提供借鑒和依據(jù)。

(2) 通過計算分析發(fā)現(xiàn)，在橫彎、扭轉、垂向剪切工況下，雙體船橫艙壁和連接橋是承受應力的主要構件。連接橋和片體接口部位的應力集中比較大，因此，對該部位的結構和連接方式在設計時應當予以加強。

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(3) 通過比較全船有無上層建筑兩種計算模型的強度計算結果可以發(fā)現(xiàn)，上層建筑在較大程度上參與了總橫強度以及主船體扭轉強度，這種影響能在一定程度上減小甲板、連接橋等相應部位接觸的受力狀態(tài)?？紤]到該雙體船上層建筑在船長范圍內約占了1/3，因此對主船體構件受力狀態(tài)的影響還是有限的。

(4) 從計算結果來看，此雙體船的構件除連接橋和橫艙壁外，所受應力均較小，構件受力大小，以及與許用應力相比，都有一定的差距，這樣會浪費船用鋁材，同時導致船體的重量增加。因此，在完善該雙體船時，考慮在規(guī)范規(guī)定的范圍內較小構件尺寸，加強應力集中區(qū)域的結構和連接方式，如此既可以改善船體的受力狀態(tài)，又可以減輕船體重量。

參考文獻

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作者簡介：張家銳(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶結構響應及優(yōu)化設計。

中圖分類號U662

文獻標志碼A

Structure Design and FEA Calculation for Strength of Windfarm Support Vessel

ZHANG Jia-rui1，2， CHEN Chao-he1，2

(1.Naval Architecture and Ocean Engineering R & D Center of Guangdong Province, Guangzhou Guangdong 511458, China; 2.South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640， China)

AbstractBecause of the advantages of its high speed, good stability and seakeeping, and flexible maneuverability and mobility, the catamaran are suitable for windfarm support work. We chose an aluminum alloy catamaran windfarm support vessel as the research object in this paper and process structure design according to the overall layout. The Finite Element Analysis(FEA) is used for the hull strength of it with the direct calculation method, checks the total transverse strength, torsional strength, and shear strength of the connecting bridge. Besides, we analysis the influence of superstructure to strength by comparing the stress distribution of main body and the whole ship model, then put forward some suggestions to the design process according to the calculated results.

KeywordsWindfarm support vesselStructure designStrength calculationFinite element analysisCatamaran