王振剛，李毓洲，張笛，張永康，姚震球，鄭和輝，霍小劍

(1.南通中遠(yuǎn)海運船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；3.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢 430063；4.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;5.招商局重工(江蘇)有限公司, 江蘇 南通 226116)

最新一代深水海上超大型風(fēng)電安裝平臺，其平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兼具了大型運輸船舶與自升式風(fēng)機(jī)安裝平臺的優(yōu)點，主要由安裝平臺主體與圓形或八邊形可升降定位銷樁腿所構(gòu)成，具備自航、自升、運輸、起重等復(fù)合功能[1-4]。這種新型安裝平臺具有圓形或八邊形可升降定位銷樁腿、大噸位起重量的起重機(jī)機(jī)、較大的甲板荷載，以及多種作業(yè)工況。其平臺長深尺寸和寬深尺寸均已超出現(xiàn)有行規(guī)范要求，目前國內(nèi)尚無專門規(guī)范可用于直接指導(dǎo)深水海上超大型風(fēng)電安裝平臺的設(shè)計。

要實現(xiàn)超大型自航自升式海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分析[5]，有限元法對整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算、校核、分析和優(yōu)化研究是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個極為重要過程。本文應(yīng)用有限元法對主要結(jié)構(gòu)件按其受力狀況建立模型，通過如實地分析和計算表達(dá)出平臺結(jié)構(gòu)及其與起重基座、樁腿等重要受力結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系與變化情況，本文對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)化分析遵循DNV規(guī)范進(jìn)行。

1 超大型海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)形式特點

圖1為超大海上風(fēng)電安裝船平臺典型橫向剖面圖。平臺為鋼制、雙層底、雙甲板結(jié)構(gòu)。平臺除了具有艏艉端區(qū)域的橫骨架式結(jié)構(gòu)，還具有縱骨架式結(jié)構(gòu)部分，肋距及縱骨間距均為0.65 m，間隔每2個肋位的位置布置1肘板，每4個肋位為1強(qiáng)肋位，且在安裝臺甲板、舷側(cè)、艙壁、雙層底及艙底等部位均設(shè)有對稱布置的縱骨，2道甲板縱桁位于上甲板兩側(cè)距中縱剖面8.45 m處，另外2道旁底桁布 置在雙層底的相對應(yīng)位置處。平臺設(shè)有3道縱艙壁，這3道縱壁將平臺劃分為4個部分，再通過橫艙壁劃分為艙室，在中縱剖線處布置有1道縱艙壁，在距中縱剖線11.05 m的處兩側(cè)翼設(shè)計了2道縱艙壁。圖中距離基線5.2 m的FR19至FR39處設(shè)有1小平臺，該平臺從距左舷8.45 m處延伸至距右舷8.45 m處。第二甲板位置設(shè)計FR52～FR130以及FR138～FR183區(qū)間處，距基線高度為5.2 m，該第二甲板距舷側(cè)有8.45 m，其中平臺右側(cè)布置FR52～FR72段、FR72～FR130段以及FR138～FR144段則布置于平臺左側(cè)，平臺兩側(cè)布置了FR144～FR183段。FR39～FR169設(shè)有雙層底，距基線1.3 m，其中FR39～FR52及FR144～FR157段位于樁腿圍阱之間，污水艙以下是FR157～FR169段，其余部分從左舷延伸至右舷。同時在平臺還設(shè)有13道橫艙壁及一些小的中間平臺，縱艙壁和橫艙壁相互結(jié)合在平臺主體上形成了推進(jìn)器室、空艙、液壓動力室、主機(jī)室、交換室、輔機(jī)室、配電室、主機(jī)控制室、燃油艙、壓載水艙等艙室。

圖1 平臺典型橫剖面圖

橫向共計13道橫艙壁，為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在橫艙壁上上設(shè)有垂直扶強(qiáng)材和水平桁。整個平臺共計在在甲板縱桁與旁底桁之間設(shè)有18根支柱以有效傳遞載荷，并且強(qiáng)肋位處設(shè)有強(qiáng)橫梁與強(qiáng)肋骨。

2 有限元模型的建立

有限元分析采用MSC.Patran軟件，同時采用MSC.Nastran軟件對風(fēng)電安裝平臺進(jìn)行有限元建模、設(shè)置邊界條件、施加載荷、計算，以及結(jié)果后處理。

平臺主體部分材料均采用NV-D36高強(qiáng)度鋼，其屈服強(qiáng)度為355 MPa。圓形或八邊形樁腿部分材料采用NV-D690超強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度為690 MPa，2種材料的力學(xué)性能見表1。

表1 平臺主體材料參數(shù)

根據(jù)該船的型線、板厚、各構(gòu)件設(shè)計尺寸建立全船三維計算模型。圖2為主要構(gòu)件的有限元模型。

圖2 主要構(gòu)件有限元模型

甲板裝載處并施加相應(yīng)的載荷，采用了多點約束(MPC)。

3 工況及邊界條件

工況主要選取了航行、自升、預(yù)壓、起吊、自存等。

邊界條件主要選取如下。

1)漂浮狀態(tài)。在該邊界條件下，平臺為一漂浮體，且處于平衡力系作用下。在該狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)以彎曲為主，簡支的約束施加在兩端中和軸附近的節(jié)點處。

2)平臺自升后邊界條件。平臺自升后，在該邊界條件下，樁靴深插入泥面，與海底直接接觸。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，海底泥面以下部分鉸支作為樁腿底部的邊界條件。

4 載荷施加

載荷施加主要考慮：空船重量、載重量、環(huán)境載荷、樁腿作用力等。

1)空船重量。主要包括平臺鋼材料重量、舾裝重量及機(jī)電設(shè)備重量等。

2)平臺載重量。包括貨物、油水(燃油、滑油、淡水等)、壓載水、風(fēng)機(jī)和其部件及起重機(jī)等的重量。圖3為燃油、污水重量加載、滑油、壓載水重量加載及淡水。

圖3 燃油、滑油、淡水、污水重量加載及壓載水重量加載

壓載水重量。平臺處于漂浮及自升狀態(tài)時都需要考慮加壓載水以保持平衡。漂浮狀態(tài)時，由平臺重力與排水量之差值確定加載量。而當(dāng)平臺處于自升狀態(tài)時，則必須考慮當(dāng)時的環(huán)境等因素進(jìn)行加載。

3)環(huán)境載荷。環(huán)境載荷主要包括：風(fēng)載荷、舷外水壓力等。環(huán)境載荷對整個安裝平臺處于漂浮狀態(tài)和自升狀態(tài)時時均有作用。其中平臺自升后，平臺主體部分被樁腿頂起脫離水面，波流載荷不會直接作用于平臺主體部分。因此，在進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時將樁腿所受的波流載荷轉(zhuǎn)化為等效力與等效彎矩后直接施加在樁腿與平臺主體的連接處。在施加環(huán)境載荷時假定風(fēng)、浪、流的作用方向一致，在施加環(huán)境載荷時假定風(fēng)、浪、流的作用方向一致。

本文采用了2種方法加載風(fēng)載荷。采取以面壓力的形式加載到指定區(qū)域的方式對平臺主體以及升降室施加風(fēng)載荷；而對于甲板室等其余部分，則以集中力和彎矩的形式加載到對應(yīng)節(jié)點處的MPC上形成風(fēng)載荷。

安裝平臺處于漂浮狀態(tài)時，平臺主體所受到的舷外水壓力，這部分水壓力由靜水壓力以及波浪水動壓力組成。參照規(guī)范，以面壓力的形式對平臺主體加載。

4)樁腿作用力。在平臺主體與樁腿連接處存在樁腿對平臺主體的作用力。在漂浮狀態(tài)時，樁腿自重，單根樁腿與樁靴總重量構(gòu)成了樁腿所產(chǎn)生載荷。此外還需考慮由平臺對樁腿會產(chǎn)生一個計算彎矩導(dǎo)致的反作用力。安裝平臺固有周期下隨海浪搖擺產(chǎn)生的動彎矩及平臺傾斜產(chǎn)生的彎矩構(gòu)成了此計算彎矩。根據(jù)安裝平臺技術(shù)要求書，平臺自升后，該作用力表現(xiàn)為樁腿對于平臺主體的支撐反力。按每根樁腿承受6 500 t的重量考慮，在對應(yīng)節(jié)點的MPC處以集中力的形式作用。

5 強(qiáng)度校核準(zhǔn)則及有限元強(qiáng)度校核

在分析計算時，采用表2所示的工況。

表2 計算工況

采用工作應(yīng)力設(shè)計法(WSD)作為強(qiáng)度校核準(zhǔn)則，即平臺各個構(gòu)件的工作應(yīng)力小于等于其許用應(yīng)力。對于板材，以式(1)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(1)

式中：σe為板的相當(dāng)應(yīng)力，MPa;σx為X方向的應(yīng)力，MPa;σy為Y方向的應(yīng)力，MPa;τ為XY平面內(nèi)的剪切應(yīng)力，MPa;σe為板的許用應(yīng)力，MPa;β為系數(shù)；η0為基本安全系數(shù)。

基本安全系數(shù)和許用應(yīng)力見表3、4。

表3 基本安全系數(shù)

表4 許用應(yīng)力 MPa

6 結(jié)果分析

各個工況下應(yīng)力計算結(jié)果見圖4和圖5，主要有安裝平臺主體、梁單元、外板以及艙壁板單元(以下簡稱板單元)的應(yīng)力云圖。應(yīng)力單位為Pa。根據(jù)MSC.Nastran軟件計算結(jié)果，平臺主體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置見表5。

圖4 平臺主體應(yīng)力云圖

圖5 平臺梁單元應(yīng)力云圖

表5 平臺最大應(yīng)力位置匯總

各個工況下平臺的位移變形云圖見圖6。

圖6 平臺位移云圖

根據(jù)圖4～6，得出以下不同工況分析結(jié)果。

1)遷移工況，航行工況下橫風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力位于中部橫艙壁與縱艙壁交接處(196 MPa)；梁單元最大應(yīng)力位于右舷中部甲板縱骨處(193 MPa)；在迎風(fēng)作用平臺狀態(tài)的應(yīng)力水平為板單元最大應(yīng)力(195 MPa)，而梁單元最大應(yīng)力(182 MPa)。平臺漂浮于水上由于在右舷中部布置了所有的風(fēng)機(jī)塔筒而導(dǎo)致大甲板載荷，同時平臺中部艙壁處存在較大垂向載荷，因此,在艙壁交接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

2)升降工況，升降工況下橫風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力(199 MPa)，梁單元最大應(yīng)力(202 MPa)；迎風(fēng)作用平臺狀態(tài)時板單元最大應(yīng)力為(193 MPa)，梁單元的最大應(yīng)力(208 MPa)。

3)預(yù)壓工況，預(yù)壓工況下橫風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力(203 MPa)，梁單元最大應(yīng)力(213 MPa)；迎風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力為(207 MPa)，梁單元的最大應(yīng)力(219 MPa)。樁腿與平臺主體連接處的艙壁處及相近區(qū)域的甲板縱骨區(qū)域出現(xiàn)了最大應(yīng)力作用點。

4)起吊工況(正常起吊和最大起吊)，處理正常超吊工況下橫風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力(219 MPa)，梁單元最大應(yīng)力(202 MPa)；迎風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力為(250 MPa)，梁單元的最大應(yīng)力(233 MPa)。處于最大起吊工況下橫風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力(236 MPa)，梁單元最大應(yīng)力(255 MPa)；迎風(fēng)作用平臺時板單元最大應(yīng)力為(250 MPa)，梁單元的最大應(yīng)力(259 MPa)。主要都位于平臺主體與左舷后側(cè)樁腿匯接位置的艙壁區(qū)域。

5)自存工況，自存工況下橫風(fēng)時板單元最大應(yīng)力(265 MPa)，梁單元最大應(yīng)力(256 MPa)；迎風(fēng)時板單元最大應(yīng)力為(270 MPa)，梁單元的最大應(yīng)力(275 MPa)。由于安裝平臺受到的環(huán)境載荷為最大值而導(dǎo)致自存工況自存工況下整個平臺的應(yīng)力水平高，因此,自存工況是平臺位于作業(yè)狀態(tài)中最危險狀態(tài)，即環(huán)境載荷和樁腿上所受載荷作用下，導(dǎo)致平臺產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力云圖顯示在平臺右舷的外板處應(yīng)力值高。若在自存工況下的最大應(yīng)力水平接近材料的許用應(yīng)力，則需考慮謹(jǐn)慎操作超吊工況。

從位移云圖分析可知，由于在橫風(fēng)工況下所受橫向載荷影響而導(dǎo)致最大位移(138 mm,主要為Y方向位移)，而在迎風(fēng)工況下由于樁腿的剛度較小而導(dǎo)致存在最大位移(86.7 mm，主要為X方向位移)，因此,可以考慮改變樁腿結(jié)構(gòu)形式(如將臟腿改為圓形或八邊形樁腿，如南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司采用八邊形樁腿后，單樁提升能力達(dá)到3 750 t以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到940 MPa)，見圖7?；蚩紤]在自存工況下可采取將平臺調(diào)控轉(zhuǎn)向調(diào)整至迎風(fēng)面以減小位移變形。根據(jù)有限元仿真計應(yīng)力結(jié)果，安裝平臺在各個工況下的應(yīng)力值均未超過材料的許用應(yīng)力的限度，滿足了相關(guān)規(guī)范的強(qiáng)度設(shè)計要求。

7 結(jié)論

根據(jù)超大型海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)形式內(nèi)在特點，利用MSC.Patran和MSC.Nastran軟件對風(fēng)電安裝平臺進(jìn)行有限元建模分析和計算，并分別針對遷移、平臺自升、預(yù)壓、起吊以及風(fēng)暴自存工況進(jìn)行強(qiáng)度校核準(zhǔn)則及有限元強(qiáng)度校核。結(jié)果表明安裝平臺結(jié)構(gòu)及其與起重基座、樁腿等重要受力結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系滿足了相關(guān)規(guī)范的強(qiáng)度設(shè)計要求。根據(jù)應(yīng)力和變形圖，其相關(guān)結(jié)論已用于指導(dǎo)實際平臺制造，如在自存工況下迎風(fēng)狀態(tài)下由于樁腿的剛度較小而導(dǎo)致存在最大位移，南通中遠(yuǎn)船務(wù)有限工程公司采用八邊形樁腿后，單樁提升能力達(dá)到3 750 t以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到940 MPa以上。