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自升式平臺(tái)樁腿間距對(duì)波浪載荷敏感性分析

2019-01-11 11:21:34張鵬飛劉樂樂
船舶 2018年6期
關(guān)鍵詞:波高波浪間距

張鵬飛 周 佳,2 劉樂樂,2

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011;2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200030)

引 言

近年來(lái),單柱腿自升式風(fēng)電安裝船在我國(guó)沿海地區(qū)成功使用,在已獲得較大經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí),呈現(xiàn)出具備更大載重能力及更深作業(yè)水深等各項(xiàng)新挑戰(zhàn)的趨勢(shì)。隨著風(fēng)能等新能源的大力開發(fā)、作業(yè)水深不斷增加、承載風(fēng)機(jī)的能力逐漸增大且功能性更加完善,兼?zhèn)浯驑?、起重等綜合能力的需求,工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性成為單柱式樁腿風(fēng)電安裝船關(guān)注的新方向。作為風(fēng)電安裝船最重要的強(qiáng)度支撐結(jié)構(gòu)-樁腿,由于其本身材料等級(jí)高、板厚大、加工精度要求高、造價(jià)高等因素,樁腿的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)平臺(tái)的安全性及經(jīng)濟(jì)性起著舉足輕重的作用。本文著重針對(duì)樁腿所受載荷進(jìn)行分析,利用優(yōu)化分析軟件研究樁腿間距對(duì)樁腿所受波浪載荷的影響,從而尋求更經(jīng)濟(jì)的樁腿布置方案。

1 簡(jiǎn) 介

在自升式平臺(tái)樁腿受力分析中,需考慮平臺(tái)在各種工況下所承受的靜載荷及環(huán)境載荷。靜載荷包括自重、可變載荷;環(huán)境載荷包括風(fēng)浪流及慣性載荷等。靜載荷與船體的尺度、功能直接相關(guān)。環(huán)境載荷與目標(biāo)船擬定工作海域相關(guān),因此對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)說,其承受的外載荷基本確定,但不同的樁腿間距、直徑卻會(huì)產(chǎn)生不同的承載能力。經(jīng)分析及計(jì)算驗(yàn)證,往往可以通過優(yōu)化4條樁腿間距來(lái)降低同等周期波高特征值產(chǎn)生的波浪載荷對(duì)樁腿的影響。

本文通過數(shù)值分析方法找到波浪周期、波高等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)樁腿產(chǎn)生的波浪載荷數(shù)值間的關(guān)系以及平臺(tái)樁腿橫向與縱向間距布置與波浪載荷大小的關(guān)系,從而盡可能從平臺(tái)布置優(yōu)化角度降低波浪載荷對(duì)樁腿整體強(qiáng)度的要求[1-2]。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

目標(biāo)平臺(tái)長(zhǎng)105 m、寬42 m、作業(yè)水深50 m、作業(yè)氣隙為6 m、左舷尾部布置1 300 t繞樁吊;4條樁腿左右舷對(duì)稱布置,樁腿縱向間距62 m,橫向間距31.8 m。通過使用DNV-Sesam軟件建立平臺(tái)梁系有限元模型(圖1);環(huán)境載荷作用角度分為0°、28°(樁腿對(duì)角線連線與船長(zhǎng)方向夾角)[3]、62°、90°、118°、152°和 180°(見圖 2)。由于本船繞樁吊布置在左后樁腿上,經(jīng)樁腿強(qiáng)度計(jì)算分析得到,左后樁腿往往先達(dá)到最大屈曲狀態(tài),且發(fā)生最大屈曲時(shí),環(huán)境載荷通常為90°或118°環(huán)境條件時(shí)。故本文主要針對(duì)這兩個(gè)方向環(huán)境載荷作用工況進(jìn)行分析。

圖1 有限元模型

圖2 環(huán)境載荷方向示意圖

總體坐標(biāo)系統(tǒng)如下:

(1)X軸指向首部,船首為正;

(2)Y軸指向左舷,左舷為正;

(3)Z軸垂直向上,向上為正。

為研究主船體樁腿布置與波浪載荷之間的關(guān)系[4],采用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Optimus,在有限元分析軟件基礎(chǔ)上,搭建計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)工作流,設(shè)定波浪載荷目標(biāo)值的多次迭代計(jì)算,從而找到各個(gè)變量與波浪載荷間的關(guān)系。目標(biāo)是通過使用優(yōu)化算法,以最少的樣本點(diǎn)數(shù)量和盡可能高的精度分析設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)間的線性、交叉項(xiàng)、二階甚至更高階的相互關(guān)系,根據(jù)結(jié)果建立輸出參數(shù)的響應(yīng)面;計(jì)算越多,響應(yīng)面精度越高,響應(yīng)面可以用來(lái)分析輸入輸出間的相互關(guān)系。優(yōu)化算法包括二階全因子、三階全因子、拉丁超立方、Taguchi等20余種,本文選用拉丁超立方算法5 000次迭代計(jì)算。

Optimus軟件中建立工作流(圖3)。在工作流中依次啟動(dòng)Genie軟件、讀取FEM文件、使用Sestra求解及導(dǎo)出波浪載荷等輸出信息等,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)分析過程自動(dòng)化執(zhí)行并循環(huán)迭代。

優(yōu)化設(shè)計(jì)中的變量參數(shù)及取值范圍參見表1。

表1 變量參數(shù)及范圍

為研究周期與波高和樁腿所有波浪載荷的關(guān)系,將波高與周期設(shè)為自變量,建立響應(yīng)面找到其與波浪載荷間的關(guān)系。對(duì)于優(yōu)化樁腿間距的布置時(shí),根據(jù)總體布置圖調(diào)整4條樁腿的坐標(biāo),但保證4條樁腿的連線始終處于矩形的4個(gè)頂點(diǎn)。

3 優(yōu)化研究

通過拉丁超立方算法5 000次迭代計(jì)算,求得各變量與各角度波浪載荷間的相互關(guān)系如下。

圖3 Optimus軟件中的工作流

3.1 波浪周期T、波高H與波浪載荷大小的研究

當(dāng)樁腿間距固定時(shí),T、H與波浪載荷間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 T、H與波浪載荷關(guān)系(上圖為T、下圖為H與波浪載荷關(guān)系)

由圖4可見,波高H與波浪載荷成正比關(guān)系,H越大,波浪載荷越大。(此處波浪載荷代表由波浪波高周期引起的波浪對(duì)樁腿的作用,不包括流載荷作用,下同)。

周期T與波浪載荷成正弦分布,并非周期越大波浪載荷越大,為滿足設(shè)計(jì)需要, CCS規(guī)范中規(guī)定[5],設(shè)計(jì)波波高Hmax確定后,周期應(yīng)為

此范圍內(nèi)用幾個(gè)不同的值對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行估算,最終取使平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大應(yīng)力的值。意味著存在某種波浪組合(Ta、Ha),雖然Ta< Tmax,同時(shí)Ha< Hmax,但波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響比(Tmax、Hmax)的組合更大。由圖4獲得各浪向波浪載荷的變化如表2所示。

表2 波浪載荷最大值與最小值

由表2可見,波浪組合的選擇會(huì)對(duì)載荷產(chǎn)生很大影響,為能更好地覆蓋平臺(tái)服役期間的最大波浪載荷,應(yīng)通過多次計(jì)算找到周期和波高的組合為樁腿所承受的實(shí)際波浪載荷最大值。計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于樁腿強(qiáng)度計(jì)算時(shí),給定的波浪環(huán)境載荷,應(yīng)考慮指定波高H下的全概率周期范圍,盡可能考慮所有最極端情況。當(dāng)樁腿間距變化時(shí),T波浪載荷關(guān)系曲線也會(huì)發(fā)生變化,但大體趨勢(shì)相同。研究還發(fā)現(xiàn),不同樁腿布置,平臺(tái)整體剛度和固有周期不同,不同周期的波浪響應(yīng)不同。接近平臺(tái)固有周期的波浪載荷周期會(huì)對(duì)載荷產(chǎn)生更大的影響。

3.2 前后樁腿間間距(X1、X2)與波浪載荷的研究

前后樁腿的間距對(duì)波浪載荷的影響如圖5所示。

圖5 90°環(huán)境條件工況下X1、X2與波浪載荷的研究

由圖5可見,90°工況時(shí)X1與X2在響應(yīng)面對(duì)角線附近,即前后樁腿間距同時(shí)增大或同時(shí)減小時(shí),且118°工況與90°工況響應(yīng)面相似。根據(jù)響應(yīng)面可見,波浪載荷最大值約7.70E+08 Nm,最小值約2.40E+08 Nm。

3.3 左右樁腿間間距(Y1、Y2)與波浪載荷的研究

假定平臺(tái)長(zhǎng)度不變時(shí),左右樁腿的間距對(duì)波浪載荷的影響如圖6所示。

由圖6可見,波浪載荷在Y1取最大值同時(shí)Y2取最小值時(shí)趨于最小,即左右樁腿間距同時(shí)增大或同時(shí)減小時(shí),波浪載荷值較小。且118°工況與90°工況響應(yīng)面相似。對(duì)于Y1與Y2的組合情況,同樣的波浪周期與波高所產(chǎn)生的波浪載荷最大值約為6.2+08 Nm,最小值約為2.4E+08 Nm,相差達(dá)到2.6倍。同樣的波浪周期與波高所產(chǎn)生的波浪載荷顯示樁腿間距的優(yōu)化對(duì)于樁腿強(qiáng)度計(jì)算的重要性。

圖6 90°環(huán)境條件工況下Y1、Y2與波浪載荷的研究

3.4 X1與Y1與波浪載荷的研究

因本船繞樁吊布置于左后樁腿[6],其所在樁腿的布置與X1和Y1有關(guān),且最大屈曲發(fā)生在此樁腿上,故針對(duì)這兩個(gè)變量進(jìn)行響應(yīng)面分析,尋找規(guī)律獲得最小波浪載荷,經(jīng)計(jì)算求得響應(yīng)面(見圖7)。

圖7 118°工況下X1與Y1對(duì)波浪載荷響應(yīng)面

由圖7可見,樁腿布置在響應(yīng)面最低點(diǎn)附近位置時(shí),此時(shí)X1在-1 m范圍內(nèi)、Y1在18 m范圍內(nèi)得到最小波浪載荷,值約為2.83E+08 Nm,響應(yīng)面最大值約為5.1E+08 Nm。與樁腿初始方案X1= 0、Y1=16.5的組合相比,波浪載荷降低約7%。若換作波浪載荷較大工況(如風(fēng)暴自存工況等),通過優(yōu)化能更顯著降低波浪載荷比例。

3.5 優(yōu)化分析總結(jié)

結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)可以判定,平臺(tái)在此設(shè)計(jì)工況下,樁腿的布置能很好降低波浪載荷對(duì)樁腿的作用。通過優(yōu)化計(jì)算方法,利用梁系模型能合理有效地找到波浪載荷最大值,且能通過改變樁腿布置更好地避開波浪載荷峰值區(qū)域,選擇既適合平臺(tái)總布置需要又符合經(jīng)濟(jì)安全原則的優(yōu)化方案。

其中3.2及3.3節(jié)中優(yōu)化設(shè)計(jì)得到結(jié)論為:當(dāng)樁腿同時(shí)縮小距離或增大距離時(shí),所受波浪載荷最小,也可理解為樁腿布置調(diào)整為正方形時(shí)承受波浪載荷最小。但考慮到自航船阻力的限制,針對(duì)本船的載重、氣隙、環(huán)境載荷等信息綜合考慮,再結(jié)合3.4節(jié)內(nèi)容,找到適合本船的樁腿間距布置,縱向間距約為60 m,橫向間距約為36 m。

4 結(jié) 論

本文計(jì)算通過建立梁系有限元模型模擬波浪載荷對(duì)樁腿的影響,以樁腿布置為變量,樁腿所承受最小波浪載荷為目標(biāo),找到周期T、波高H的組合對(duì)于樁腿所承受波浪彎矩的相互關(guān)系,并獲得針對(duì)于本船的主尺度、氣隙高度等因素的相關(guān)規(guī)律;不排除其他船舶對(duì)于樁腿數(shù)量增加,樁腿直徑變化、氣隙高度變化等因素對(duì)波浪載荷產(chǎn)生的規(guī)律變化。我們通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,合理有效地分析得到樁腿間距變化對(duì)樁腿所受波浪載荷的相關(guān)性研究,對(duì)結(jié)果的分析獲得以下結(jié)論:

(1)波高H與波浪載荷成正比關(guān)系,周期與波浪載荷成正弦關(guān)系。

(2)在樁腿強(qiáng)度計(jì)算中,固定樁腿布置后,應(yīng)考慮波浪載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)影響最大的周期波高組合以及波高H對(duì)應(yīng)所有周期T的可能性作為波浪載荷輸入條件進(jìn)行核算。

(3)在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)開始階段,借助優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)樁腿布置進(jìn)行調(diào)整,尤其針對(duì)風(fēng)暴自存工況及作業(yè)不起重工況(這兩種工況下波浪載荷占比較大),若能通過優(yōu)化設(shè)計(jì)降低板厚,則可以降低板厚,節(jié)約成本。

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