徐永超，夏利娟

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

半潛駁改裝海上風(fēng)機(jī)吊裝船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

徐永超，夏利娟

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

海上風(fēng)機(jī)吊裝船是具備運(yùn)輸、起重功能的用于海上風(fēng)電設(shè)備安裝的海洋工程船。本文將1艘半潛駁船改裝成海上風(fēng)機(jī)吊裝船，利用有限元軟件對(duì)該船在拖航、坐底及吊裝等典型作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得到船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形情況。計(jì)算評(píng)估方法和結(jié)果可為半潛駁改裝海上風(fēng)機(jī)吊裝船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估、改裝方案可行性論證提供依據(jù)，也對(duì)類似船舶的改裝設(shè)計(jì)開發(fā)具有參考價(jià)值。

海上風(fēng)機(jī)吊裝船;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;有限元

0 引言

風(fēng)電機(jī)組的安裝是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程［1］，也是海上風(fēng)電場建造的關(guān)鍵技術(shù)之一。要在海洋復(fù)雜環(huán)境下，安全、高效、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行風(fēng)機(jī)安裝，則需要1個(gè)專用的海上作業(yè)平臺(tái)。海上風(fēng)機(jī)吊裝船是海上風(fēng)機(jī)安裝的主要工具，近年來已得到廣泛應(yīng)用［2～5］。

我國近海海域遼闊，風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)力發(fā)電場是未來發(fā)展的重點(diǎn)。為運(yùn)輸和吊裝更大功率的海上風(fēng)機(jī)組，需要有更大運(yùn)載能力的運(yùn)載工具，也對(duì)海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸和安裝平臺(tái)提出更高的要求。國內(nèi)在此方面有過成功的工程實(shí)踐。在上海東海大橋百兆瓦海上風(fēng)電示范項(xiàng)目中，中交三航院將1艘駁船改裝成海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸安裝船，成功運(yùn)用于3 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸和安裝工作。本文在東海大橋半潛駁改造項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，選用1艘半潛駁船改裝成為海上風(fēng)機(jī)吊裝船，以運(yùn)載更大功率的海上風(fēng)機(jī)組。由于目前尚無專門的規(guī)范指導(dǎo)該類型改造船舶的設(shè)計(jì)，因此本文對(duì)此改裝船進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估進(jìn)行計(jì)算和研究，為改裝方案的可行性論證提供依據(jù)。

1 半潛駁船船型特點(diǎn)及改裝后的結(jié)構(gòu)形式

1.1 船型特點(diǎn)

該半潛駁船為鋼質(zhì)、箱型船體、主甲板上四角設(shè)平衡塔樓、無梁拱、方甲板、圓舭，可在近海海域進(jìn)行半潛作業(yè)以及在無限航區(qū)進(jìn)行拖帶，為非自航無人甲板半潛駁。

1.2 船體改造

該半潛駁船在加裝起重機(jī)設(shè)備后，由拖輪拖航至近海工作海域，然后坐底進(jìn)行風(fēng)機(jī)的吊裝工作。改造設(shè)計(jì)主要是加裝起重機(jī)設(shè)備，起重機(jī)由4條井架支撐，4條井架布置于半潛駁船F(xiàn)r24～Fr26及Fr30～Fr32肋位，左右舷呈對(duì)稱布置，并在井架與半潛駁船體聯(lián)接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。為保證起重機(jī)在拖航時(shí)的安全，在左首平衡塔上設(shè)置起重機(jī)吊重臂擱架。改造后的半潛駁船總布置如圖1所示。

圖1 改裝后的半潛駁船總布置圖Fig.1 The general arrangement of the semi-submersible barge after retrofitted

2 全船有限元模型

結(jié)構(gòu)有限元模型應(yīng)能正確反映船體結(jié)構(gòu)的剛度特點(diǎn)［6］。本文利用MSC.PATRAN軟件對(duì)全船結(jié)構(gòu)、井架以及基座等結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的有限元建模，包括整個(gè)船長、船寬范圍內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)，采用了板殼元和梁單元組合模型。

船體結(jié)構(gòu)的慣性特性采用分布質(zhì)量來處理，即根據(jù)單元的質(zhì)量密度參數(shù)，由程序自動(dòng)處理和分配到相關(guān)的節(jié)點(diǎn)上去。燃油及壓載水等則通過質(zhì)量點(diǎn)的形式加載到模型上。

全船有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 全船有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of entire vessel

圖3 全船結(jié)構(gòu)有限元模型 (主甲板以下）Fig.3 Finite elementmodel of structures under upper deck

3 計(jì)算工況

選取拖航出港、拖航到港、坐底作業(yè)3種典型工況作為計(jì)算工況，各計(jì)算工況的載荷情況描述如表1所示。

表1 計(jì)算工況Tab.1 Load cases

4 載荷計(jì)算及加載

4.1 空船重量

1）船體重量

船體重量包含主船體重量和首尾平衡塔重量等。船體結(jié)構(gòu)自身以慣性力的形式加載。另外，起重機(jī)以及為支撐起重機(jī)而設(shè)置的井架、基座、擱架以及其他附屬設(shè)備等重量，均采用集中質(zhì)量點(diǎn)的方法，均勻加載到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

2）壓載水、燃油及淡水重量

本船共設(shè)置23個(gè)壓載水艙，3個(gè)淡水艙，2個(gè)燃油艙。根據(jù)各計(jì)算工況的裝載情況，將壓載水、淡水和油水等等效為集中質(zhì)量，均勻地加載到各壓載水艙內(nèi)的底板節(jié)點(diǎn)上。

4.2 舷外水壓力

計(jì)算中考慮靜水壓力，以面壓力的形式進(jìn)行加載。根據(jù)各計(jì)算工況的吃水位置情況，建立壓力場函數(shù)，按照水深情況加載到船體外板濕表面的板單元上。

4.3 波浪彎矩

在拖航出港及拖航到港工況時(shí)，船體需計(jì)及波浪彎矩。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案論證階段的多方案比較，本文采用簡化方法完成波浪載荷的計(jì)算和施加，根據(jù)中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》［7］的相關(guān)規(guī)定?？紤]到近海拖航，波浪彎矩可以折減5%。

船中中拱波浪彎矩的數(shù)值為:

式中:M為彎矩分布系數(shù);C為系數(shù);L為船長，m;B為船寬，m;Cb為方形系數(shù);

波浪彎矩MW的施加，通過分布載荷施加到全船有限元模型強(qiáng)框架的外板節(jié)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)了波浪彎矩載荷的施加［8］，如圖4所示。

圖4 分布載荷的加載方法示意圖 (以FR77為例）Fig.4 Schematic diagram of loadingmethods of distributed load(Take FR77 for example）

4.4 吊重載荷

在坐底作業(yè)工況時(shí)，起重機(jī)將進(jìn)行吊重作業(yè)。吊重作業(yè)時(shí)，起重機(jī)產(chǎn)生吊重彎矩通過多點(diǎn)約束MPC的方法，施加到有限元模型的相應(yīng)位置。

4.5 船底支承力

在坐底作業(yè)工況時(shí)，船體將下沉直至坐底于海床上，進(jìn)行吊裝作業(yè)。此工況下，船體的底板將承受海床的支承力，船底支承力的計(jì)算簡化模型如圖5所示。

圖5 船底板支承力計(jì)算簡化模型Fig.5 Simplified calculation model of supporting force on bottom plate

根據(jù)力的平衡，有:

式中:ΔF為船體總重量與浮力的差值;b為船底板寬度;f1和f2為船底支承力的計(jì)算簡化模型兩端面的支承力;Mx為起重機(jī)吊重載荷彎矩。由幾何關(guān)系，船底板支承力沿船寬方向的分布力為:

將船底支承力簡化為壓力，建立支承力場函數(shù)，按照分布施加于船底板相應(yīng)的板單元上。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

通過全船結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析，各計(jì)算工況下船體結(jié)構(gòu)板單元相當(dāng)應(yīng)力、板單元剪切應(yīng)力以及梁單元相當(dāng)應(yīng)力的最大應(yīng)力計(jì)算值如表2所示，對(duì)應(yīng)的全船結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖如圖6～圖8所示。各許用應(yīng)力值參考規(guī)范［9］中所提供的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

表2 各計(jì)算工況下各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力Tab.2 Themaximum stress of structure component in all conditions

圖6 拖航出港工況全船應(yīng)力云圖Fig.6 The stress nephogram of hull under trailing(Departure）condition

圖7 拖航到港工況全船應(yīng)力云圖Fig.7 The stress nephogram of hull under trailing(Arrival）condition

圖8 坐底作業(yè)工況全船應(yīng)力云圖Fig.8 The stress nephogram of hull under diving condition

從計(jì)算結(jié)果可知，船體各主要構(gòu)件的應(yīng)力均滿足文獻(xiàn)［10］所規(guī)定的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。在拖航出港、拖航到港、坐底作業(yè)3種典型工況中，坐底作業(yè)工況時(shí)的全船應(yīng)力水平最高，應(yīng)力較高的區(qū)域主要集中在起重機(jī)機(jī)架與半潛駁船甲板聯(lián)結(jié)處，這是因?yàn)樵谧鬃鳂I(yè)工況下，此區(qū)域結(jié)構(gòu)需要承受起重機(jī)及其附屬結(jié)構(gòu)的豎向載荷，還要抵抗吊重風(fēng)機(jī)作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生的水平方向彎矩。由以上分析結(jié)果可知，該半潛駁改裝海上風(fēng)機(jī)吊裝船的結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)方法具有可行性。

6 結(jié)語

本文在東海大橋百兆瓦海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸安裝船成功改造的基礎(chǔ)上，將1艘半潛駁船改裝成海上風(fēng)機(jī)吊裝船，通過對(duì)該船的拖航、坐底及吊裝等典型工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和評(píng)估，得到船舶改造設(shè)計(jì)的可行性方案，以期獲得更大的風(fēng)機(jī)運(yùn)載能力。本文的研究成果為同類型海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸安裝船舶設(shè)計(jì)的可行性方案研究提供了依據(jù)，也為此類船舶的改裝設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相應(yīng)的規(guī)范制定具有較好的參考價(jià)值。

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Research on structural strength evaluation of w ind turbine installation vessel retrofitted from sem i-submersible barge

XU Yong-chao，XIA Li-juan
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

The offshore wind turbine installation vessel is a type of ocean engineering vessel with carriage and lifting functions for offshore wind power equipment installation.In this paper，a Semisubmersible barge was retrofitted into an offshore wind turbine installation vessel.By analyzing typical operation conditions of trailing and diving，the stress distribution and the deformation are obtained with the help of finite elementmodel.The evaluationmethod and calculation results are helpful for structural strength assessment and retrofit plan feasibility study of this vessel，aswell as the retrofit design and development of similar vessels.

offshore wind turbine installation vessel;structural strength;finite element

U674.3

A

1672－7649(2014）05－0011－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.003

2013－11－20;

2014－03－28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50909060）;海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(GKZD010059－20）

徐永超(1986－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析。