宋 顥1， 華 嵬2， 周瑞佳， 高 攀

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240； 2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116； 3.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201306)

0 引 言

海上風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，具有湍流強(qiáng)度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、節(jié)約土地資源、風(fēng)能平穩(wěn)、無噪聲及景觀污染、資源豐富、宜大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，近年來其開發(fā)利用技術(shù)迅速發(fā)展[1-3]。中國擁有豐富的海上風(fēng)電資源，國家能源局發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確表示，“十三五”期間中國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)基本成熟，未來中國海上風(fēng)電將進(jìn)入較快發(fā)展的黃金時期，在2020年前將會有107kW的海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)施開工建設(shè)(相當(dāng)于三峽工程一半的發(fā)電量)，并且要求確保有 0.5×107kW的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施建設(shè)完成。在未來2～3年內(nèi)，國內(nèi)還需安裝1 500～2 000臺風(fēng)機(jī)，對起重安裝平臺的需求預(yù)計還有20臺。

當(dāng)清潔能源成為中國能源體系構(gòu)建的新需求時，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也成為國家布局的重要能源產(chǎn)業(yè)。與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場安裝和維護(hù)環(huán)境更為復(fù)雜、技術(shù)要求更高、涉及層面更廣。惡劣的海上開發(fā)環(huán)境導(dǎo)致海上風(fēng)電開發(fā)成本高，是陸上風(fēng)電的1.5～2.0倍，其中安裝成本約占海上風(fēng)電開發(fā)總成本的22%，海上起重安裝技術(shù)及裝備是影響海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素[4]。由于國家對海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)一規(guī)劃，眾多企業(yè)感受到海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口期到了。近些年，國內(nèi)陸續(xù)自主設(shè)計建造了包括KOE01型自升式起重安裝平臺、龍源振華系列坐底式起重安裝平臺、海洋069系列自升式起重安裝平臺、尚和系列自升式起重安裝平臺等，但無論是從建造周期還是從經(jīng)濟(jì)效益的角度進(jìn)行評價，新造平臺仍然不及購置國外二手平臺迅速和便宜。因此，國內(nèi)部分船舶所有人或業(yè)主選擇從國際市場上采購船齡在10～20年的二手平臺以滿足當(dāng)前國內(nèi)市場的需求。

對于自升式起重安裝平臺的設(shè)計和分析，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行過不少相關(guān)研究。王徽華[5]針對自升式起重安裝平臺吊裝的安全性,開展平臺插樁入泥深度的計算方法研究。于雯等[6]設(shè)計一種滿足風(fēng)車整體運(yùn)輸、安裝一體化的新型半潛式風(fēng)車安裝平臺，并采用SESAM軟件的設(shè)計波進(jìn)行平臺整體強(qiáng)度分析。于雯等[7]在確定總布置方案和主尺度的基礎(chǔ)上,針對新型半潛式風(fēng)車安裝平臺進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于設(shè)計波法對平臺自存、操作、航行工況下的整體強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)、桿件和局部進(jìn)行規(guī)范校核。劉建峰[8]對自升式海上起重安裝平臺在船型設(shè)計階段的模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，對相似船型的設(shè)計研究具有重要參考價值。陳科等[9]應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對海上起重安裝平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，覆蓋了吊裝、預(yù)壓等多種工況。

本文依托國內(nèi)某海上起重安裝公司在2016年購進(jìn)的由芬蘭GustoMSC設(shè)計的動力定位型自升式起重安裝平臺，針對最危險起吊工況，對采購的二手平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析。建立全船有限元模型，并依據(jù)《操船手冊》，針對起吊作業(yè)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，重點(diǎn)關(guān)注在最大起吊載荷下船體典型結(jié)構(gòu)和吊機(jī)基座的應(yīng)力分布和剛度。對船體主要結(jié)構(gòu)的建模方法和單元選取進(jìn)行研究，著重分析起吊作業(yè)工況吊機(jī)載荷的計算方法、計算過程及施加方法，確定校核準(zhǔn)則并進(jìn)行平臺屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度校核。

1 起重安裝平臺概述

1.1 平臺總體性能概述

該動力定位型自升式起重安裝平臺由荷蘭GustoMSC公司設(shè)計，掛盧森堡旗，入ABS船級。近期由中國某海上起重安裝公司將此平臺購買并進(jìn)口國內(nèi)，按相關(guān)要求，需按國內(nèi)法規(guī)《海上移動平臺安全規(guī)則》(1992)對此平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)技術(shù)評估。

該平臺呈長方形，配備直升機(jī)平臺，帶有4條桁架式樁腿，每個樁腿下端有獨(dú)立樁靴，抬升驅(qū)動方式為“齒輪齒條式”。平臺配置鎖緊系統(tǒng)，主甲板以上設(shè)有8層生活區(qū)，位于主甲板艏部，能夠提供最多260人(站立工況)的就餐、住宿、醫(yī)療和辦公，設(shè)有單人、多人間居住艙室。平臺基本參數(shù)如表1所示，外形總布置如圖1所示。

圖1 平臺外形總布置俯視圖

船長/m總寬/m船體型深/m滿載吃水/m空船質(zhì)量(不包括樁腿)/t可變載荷/t樁腿數(shù)量/條樁腿長度/m類型工作最大水深/m111.7450.09.07.414 9987 7894130.17三角桁架80

1.2 起吊能力概述

該平臺裝備兩臺Huisman OMC 750 t海工桅桿基座式吊機(jī)，主鉤最大回轉(zhuǎn)半徑52.3 m，分別安裝在平臺左舷首、尾樁腿上。在大鉤距離回轉(zhuǎn)軸29 m處單鉤起重載荷達(dá)到最大750 t，若兩臺吊機(jī)雙機(jī)連吊，在大鉤距離各自回轉(zhuǎn)軸36 m處起重載荷可以達(dá)到最大2×600 t。除此以外，主吊機(jī)還帶有活動波浪補(bǔ)償功能，在最大300 m水深、距離回轉(zhuǎn)軸47 m處單鉤起重能力達(dá)到360 t。

對于起吊工況來說，雙機(jī)連吊是《操船手冊》中規(guī)定的最危險工況，回轉(zhuǎn)角度范圍為19°～161°。

1.3 吊機(jī)載荷計算方法

除風(fēng)載荷外，吊機(jī)載荷還由4部分組成：(1)自重載荷L1；(2)(起升載荷+船舶傾斜(橫傾與縱傾)所產(chǎn)生的起升載荷水平分力)×起升因數(shù)φh，用L2表示；(3)其他最不利的水平力(通常由回轉(zhuǎn)加速度產(chǎn)生)L3；(4)由船舶傾斜(橫傾與縱傾)產(chǎn)生的自重載荷水平分力L4。

組合載荷可表示為(L1+L2+L3+L4)×作業(yè)因數(shù)φd，作業(yè)因數(shù)φd的取值參考CCS《船舶與海洋工程起重設(shè)備規(guī)范》。根據(jù)設(shè)計工作海況(蒲氏風(fēng)級、海況、波高和波浪周期)考慮起升動載力的起升因數(shù)φh計算式為

(1)

因?yàn)榈鯔C(jī)在有風(fēng)狀態(tài)工作，應(yīng)取的組合載荷為上述組合載荷加上最不利的風(fēng)載荷。平臺傾斜產(chǎn)生的水平分力按《船舶與海洋工程起重設(shè)備規(guī)范》計算。平臺運(yùn)動分力如表2所示。

表2 平臺運(yùn)動分力

不同類型船舶、平臺的橫傾和縱傾角度應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行選取，如表3所示。φw波浪因數(shù)的取值可參考表4選取。

表3 最小橫傾和縱傾角度 (°)

表4 波浪因數(shù)取值

2 起吊工況平臺強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型

圖2 平臺有限元模型

圖3 平臺模型中樁腿與平臺主體的耦合

本文利用ANSYS有限元軟件對該平臺進(jìn)行建模和計算，對主船體和樁腿進(jìn)行詳細(xì)建模，而對于直升機(jī)甲板、生活樓、甲板艙室等對平臺整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大的結(jié)構(gòu)，采用簡化成集中質(zhì)量的形式施加到平臺上，但是各自的質(zhì)量和重心還是按照實(shí)際情況確定。

在定義單元類型時，船體各甲板、外圍板、艙壁板、固樁架板等結(jié)構(gòu)選用SHELL 181板單元模擬，縱骨、扶強(qiáng)材、樁腿弦桿等構(gòu)件選用BEAM 188梁單元模擬。為了真實(shí)反映個別強(qiáng)肋位處的強(qiáng)橫梁對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所起的支撐作用，選用SHELL 181模擬其腹板，并選用PIPE 288或BEAM 188模擬船體內(nèi)部的立柱，用PIPE 288單元模擬樁腿撐桿，用MASS 21單元模擬集中質(zhì)量。平臺有限元模型如圖2所示。

2.2 邊界條件

本文主要研究平臺主體結(jié)構(gòu)的安全性，并未建出樁靴模型模擬海上起重安裝平臺樁腿下端的樁靴結(jié)構(gòu)，而是采用在樁腿底部樁靴半高位置施加鉸支約束模擬樁靴與海底土壤的相互作用。根據(jù)平臺的《操船手冊》確定樁靴入泥深度為5 m。

在本模型中，平臺主體與樁腿采用耦合方式連接。在站樁狀態(tài)下，樁腿與船體之間由鎖緊裝置鎖緊，限制樁腿的垂向運(yùn)動和轉(zhuǎn)動，而平臺的上導(dǎo)向和下導(dǎo)向約束了樁腿與平臺主體水平相對位移。因此，在所有站樁工況中：在上、下導(dǎo)向處選擇樁腿上的相應(yīng)位置與上、下導(dǎo)向分別進(jìn)行x方向和y方向位移的耦合，即Ux、Uy；在鎖緊裝置處，將樁腿上的相應(yīng)位置與鎖緊裝置進(jìn)行z方向位移的耦合以及繞x軸、y軸方向的轉(zhuǎn)動耦合。如圖3所示。

2.3 載荷施加

表5 起吊工況載荷詳細(xì)信息

續(xù)表5 起吊工況載荷詳細(xì)信息

2.3.1 固定載荷

固定載荷主要包括平臺的自重和設(shè)備載荷。本模型未建出吊機(jī)、生活樓等結(jié)構(gòu)，因此船體模型計算質(zhì)量比實(shí)際質(zhì)量小。吊機(jī)自重作為吊機(jī)載荷的一部分施加，生活樓的質(zhì)量作為載荷施加在B甲板生活樓的艙壁上。通過調(diào)整船體材料的密度，將固定載荷轉(zhuǎn)換為船體的質(zhì)量施加到整個船體上。通過計算預(yù)留出一部分固定載荷施加于未建出的上部結(jié)構(gòu)附近，調(diào)整這一部分質(zhì)量使模型重心與《操船手冊》給出的主船體重心保持一致，這部分載荷施加在A、B甲板上。

2.3.2 可變載荷

可變載荷主要涉及各液艙的配載及可變的甲板載荷，具體數(shù)值取自《操船手冊》，油水儲備和壓載水等可變載荷通過在對應(yīng)的艙室底部施加壓力的方式實(shí)現(xiàn)。對于非水平的艙室底部(如WB-7-S等)，將對應(yīng)的壓力換算為節(jié)點(diǎn)力施加在這些艙室底部的節(jié)點(diǎn)上。

2.3.3 吊機(jī)載荷

實(shí)際上風(fēng)載荷與上述組合載荷施加方向?yàn)橥蚴亲畋Ｊ厍闆r。吊機(jī)載荷在計算過程中的主要參數(shù)取值及計算為：

(1) 作業(yè)因數(shù)φd參考CCS《船舶與海洋工程起重設(shè)備規(guī)范》，取1.2。

實(shí)驗(yàn)從收斂性、平均傳輸速率及歸一化網(wǎng)絡(luò)滿意度來衡量算法的性能.對比算法主要為幾種常見的分配算法.(1)本文所提隨機(jī)學(xué)習(xí)博弈算法(Stochastic Learning Game, SLG).(2)完全信息動態(tài)博弈(Complete Information of Dynamic Game,CIDG)，利用公式(2)為目標(biāo)函數(shù)的一種最佳響應(yīng)博弈模型.(3)本地博弈(Local Game)，利用式(2)為目標(biāo)函數(shù)的隨機(jī)學(xué)習(xí)算法.(4)隨機(jī)選擇算法(Random Selection).

(3) 橫傾和縱傾角度根據(jù)表3的規(guī)定，自升式平臺取1°。

在起吊工況計算中，吊機(jī)自重載荷和起吊載荷均施加在距離吊機(jī)基座中心高度10 m處。表6為回轉(zhuǎn)角 60°時單個吊機(jī)的載荷計算過程。

表6 60°回轉(zhuǎn)角時單個吊機(jī)載荷(600 t×36 m)

《操船手冊》規(guī)定的最危險的雙吊機(jī)聯(lián)吊工況中，單個吊機(jī)載荷為600 t×36 m。《操船手冊》規(guī)定的吊機(jī)聯(lián)調(diào)回轉(zhuǎn)角度范圍為19°～161°，因?yàn)榄h(huán)境載荷的入射角度為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，可以覆蓋吊機(jī)的工作范圍，環(huán)境載荷入射角度選擇與吊臂方向一致。

在雙機(jī)連吊工況下，單個吊機(jī)的載荷計算結(jié)果如表7所示，表中所示力矩為距離吊機(jī)基座中心高度10 m處的力矩(z=23.5 m)。

表7 起吊工況吊機(jī)載荷匯總

圖4 吊機(jī)上部結(jié)構(gòu)簡化處理

本文對于吊機(jī)上部結(jié)構(gòu)采取簡化處理，僅建立了一部分與吊機(jī)基座相連的結(jié)構(gòu)，并將這部分結(jié)構(gòu)與一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定，如圖4所示，吊機(jī)載荷均施加在該節(jié)點(diǎn)上。在模型中用于模擬吊機(jī)上部結(jié)構(gòu)的高于13.5 m的結(jié)構(gòu)，在后處理中忽略其應(yīng)力。

2.3.4 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷包括風(fēng)載荷、波浪載荷和海流載荷。業(yè)內(nèi)對自升式平臺環(huán)境載荷的計算和施加已經(jīng)有較成熟的研究和應(yīng)用，加之本文著重研究起重安裝平臺起吊作業(yè)的平臺安全性，因此不詳細(xì)展開環(huán)境載荷的計算和施加過程。作用于平臺上的風(fēng)載荷F的計算式為

F=Kw·Kz·P0·A

(2)

式中：Kw為風(fēng)載荷形狀因數(shù)，對平臺甲板設(shè)備應(yīng)考慮遮蔽效應(yīng)，甲板設(shè)備與平臺樁腿的風(fēng)載荷形狀因數(shù)應(yīng)分別計算；Kz為海上風(fēng)壓高度變化因數(shù)；P0為基本風(fēng)壓，P0=α·v2，α為風(fēng)壓因數(shù)，值為0.613 N·s2/m4,v為設(shè)計風(fēng)速；A為受風(fēng)面積。

采用Morison公式計算波浪載荷，波浪理論選用斯托克斯五階波理論。利用ANSYS軟件進(jìn)行波浪和海流載荷的計算。建立模型后，輸入波浪參數(shù)數(shù)據(jù)，選用斯托克斯五階波理論進(jìn)行計算。

船體在環(huán)境載荷風(fēng)、浪、流的作用下，產(chǎn)生橫向位移，加之船體本身質(zhì)量會使樁腿產(chǎn)生二次彎矩，此載荷稱為P-Delta效應(yīng)載荷。因此，根據(jù)計算的位移對二次彎矩進(jìn)行計算，并施加到樁靴鉸支點(diǎn)上。

3 結(jié)果與討論

針對該自升式起重安裝平臺的起吊作業(yè)工況，在風(fēng)、浪、流入射角分別取0°、30°、60°、90°、120°、150°及180°等7種組合工況下計算屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度。對于吊裝作業(yè)，選取《操船手冊》規(guī)定的最危險的雙吊機(jī)聯(lián)吊工況。

3.1 位移情況

起吊作業(yè)各組合工況下船體結(jié)構(gòu)的最大位移如表8所示。從計算結(jié)果可知，在環(huán)境載荷入射角度為30°時，結(jié)構(gòu)發(fā)生的位移最大，位置位于右后樁腿的頂部。該工況下的平臺位移云圖如圖5所示。

圖5 起吊作業(yè)工況環(huán)境載荷入射角30°時的平臺位移云圖

入射角度/(°)最大位移/mm位置0286.7右后樁腿頂部30304.3右后樁腿頂部60292.3右后樁腿頂部90264.8右后樁腿頂部120225.4右后樁腿頂部150245.3左前樁腿頂部180275.5左前樁腿頂部

3.2 屈服強(qiáng)度校核

船體材料主要是許用應(yīng)力為355 MPa的高強(qiáng)度鋼，在吊機(jī)基座部分區(qū)域采用EQ51鋼進(jìn)行加強(qiáng)，組合工況下安全因數(shù)取1.11，許用應(yīng)力分別為320 MPa和450 MPa。組合工況下骨材安全因數(shù)取1.25，許用應(yīng)力為284 MPa。表9和表10分別整理了該平臺在起吊作業(yè)工況下的板材和骨材屈服校核結(jié)果。

表9 起吊作業(yè)工況船體板材屈服校核

表10 起吊作業(yè)工況船體骨材屈服校核

由表9和表10可知船體強(qiáng)度在各組合工況下均滿足要求。由《操船手冊》中吊機(jī)作業(yè)范圍的規(guī)定可知，雙吊機(jī)聯(lián)合起吊時，其回轉(zhuǎn)角度范圍為11°～169°。因此，環(huán)境荷載入射角30°時為最危險工況，主船體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形位移均最大。該工況下的船體應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 起吊作業(yè)工況環(huán)境載荷入射角30°時的平臺主甲板和右舷外板應(yīng)力云圖

3.3 屈曲強(qiáng)度校核

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，平臺結(jié)構(gòu)除滿足強(qiáng)度條件外，還需對受壓構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性計算。本文根據(jù)《海上移動平臺安全規(guī)則》(1992)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行屈曲校核。

根據(jù)屈服校核確定最危險的組合工況(即環(huán)境載荷入射角為30°時的組合工況)，進(jìn)行該最危險組合工況下船體板材和骨材的屈曲校核。經(jīng)驗(yàn)算，板材和骨材屈曲校核裕量較大，最危險組合工況的屈曲校核可以覆蓋其他組合工況。由于篇幅所限表11羅列了起吊作業(yè)工況扶強(qiáng)材的屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果。

表11 起吊作業(yè)工況扶強(qiáng)材屈曲校核

4 結(jié) 論

本文以國內(nèi)某海上起重安裝公司在2016年購進(jìn)的芬蘭GustoMSC設(shè)計的動力定位型自升式起重安裝平臺為例，詳細(xì)分析了其在起吊作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)安全性，并對7種組合工況下的船體和吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，得到以下結(jié)論：

(1) 在該自升式起重安裝平臺《操船手冊》中規(guī)定的起吊作業(yè)工況下，平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足《海上移動平臺安全規(guī)則》(1992)的要求。

(2) 各組合工況中船體各部位的最大應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度要求。

(3) 各組合工況中船體主要構(gòu)件的屈曲強(qiáng)度均滿足要求，環(huán)境載荷入射角為30°時的組合工況的屈曲強(qiáng)度裕量最小。

(4) 在吊裝工況中，吊機(jī)基座中與艙壁交叉處的加強(qiáng)肋板應(yīng)力水平較高，但仍滿足要求，在實(shí)際建造中應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。