海上風機吊裝船全船結構強度分析

韓 強 姚震球 陳家旺 楊新利

（1.浙江海鹽縣港航管理處 嘉興 314300；2.江蘇科技大學 鎮江 212000）

0 引 言

風電機組的安裝是海上風電場建設的關鍵技術之一。如何打造一個能夠在海洋環境中風浪流共同作用下，高效、安全地完成風機吊裝作業的海上工作平臺，是各國海上風電場建設的重要課題。

自航自升式海上風機吊裝作業船是海上風電場建設的第三代吊裝平臺，具備自航、自升、運輸、起重等綜合功能，工作效率高，經濟效益也高，已成為海上風電場建設主流裝備。這種新型船舶具有升降樁腿、大起重量的吊機、較大的甲板荷載等特點。長深比和寬深比均已超出現行規范要求，目前國內尚無專門規范可用于直接指導該船型的設計，故對其進行全船結構強度分析很有必要。

1 船型及結構形式

1.1 主要參數

本文中的海上風機吊裝船主船體為駁船箱型船體，主體部分有較長的平行舯體，船寬較大；船尾為方艉，首部線型趨于V型，有球鼻艏，以改善耐波性，提高快速性；沒有脊弧和舷弧。其主要參數如下：

1.2 船體結構形式

該船為單甲板、單底、縱骨架式駁船箱型全焊接鋼質海上風機吊裝作業船，尾部3漿，首部球鼻艏處有兩個側推，全船肋距600 mm，縱骨間距625 mm，船體留出安放4根樁腿的開口，結構之間保持良好的連續性和有效地連接。

1.2.1 縱向主要構件

（1）縱中剖面處設有縱中艙壁，在左右兩側距縱中艙壁7 500 mm處各設一道縱艙壁；在橫向強框架處，有垂直桁材對縱艙壁進行加強，每個縱艙壁設置5道縱骨；舷側外板設置6道縱骨，另外全船設置有48根支柱。

（2）縱向強框架的間距為3個縱骨間距。內龍骨與甲板縱桁各12道，上下、左右對稱布置，分別位于距中縱艙壁1 875 mm、3 750 mm、5 625 mm、9 375 mm、11 250 mm、13 125 mm 處。

1.2.2 橫向主要構件

（1） 除去Fr.0尾封板，在Fr.7、Fr.19、Fr.40、Fr.64、Fr.88、Fr.118和Fr.133處布置有7道水密橫艙壁，并在船首樁腿處左右兩舷各增加兩道短橫艙壁。對橫艙壁在縱向強構件穿過的位置設置垂直桁材，縱骨穿過的位置處設置加強筋。

（2）實肋板、強橫梁、強肋骨等組成的橫向強框架間距為3個肋距。

另對吊機基座外板設置12根強扶強材。

2 全船有限元模型

2.1 坐標系

本船采用右手坐標系。原點取在Fr.43縱中剖面基線處；x軸沿船長方向，向艏為正；y軸沿船寬方向，向左舷為正；z軸為型深方向，自基線向上為正。

結構模型建立和載荷施加過程中采用N、mm、s的單位制。

2.2 單元劃分

按照本船的型線，各構件設計尺寸、板厚等均采用MSC.PATRAN軟件建立三維有限元計算模型，見圖1。

模型中主要采用以下兩種單元：

2.2.1 板殼單元

用來模擬船體中的甲板、船底板、舷側外板、縱橫艙壁、安放樁腿處船體板等板殼結構和船底龍骨、實肋板、甲板縱桁、強橫梁、強肋骨、桁材等腹板高度比較大的強構件以及腹板高度大于300 mm的肘板等。板殼單元大多采用四邊形單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡。

2.2.2 梁單元

用來模擬板殼結構中腹板高度小于300 mm的縱骨、橫艙壁加強筋、支柱等桿件結構，以及縱桁、實肋板、強橫梁、強肋骨、強扶強材等強構件的面板和肘板的折邊等。

有限元網格的大小保持在一個縱骨間距三個單元的量級水平，使得結構單元比較精細。主要構件上的四邊形單元邊長比不超過1∶2，在連接過渡的地方采用了少量三角形單元［1］，共316 332個節點、391 762個單元。

為了建模的方便，模型中對首尾結構以及上層建筑進行了適當簡化，忽略了船體結構中一些小的肘板、開孔等次要因素；另外，為模擬吊機基座結構、樁腿與船體連接處結構以及風機各部件在甲板裝載處并施加相應的載荷，采用了33個多點約束（MPC）。

3 計算工況及邊界條件

3.1 計算工況

為了比較全面地考核本船船體結構的強度及各主要構件的穩定性，分別計算了本船在滿載航行、靜水起吊和自升后起吊三種狀態下船體結構的應力分布及變形。其中自升后起吊是重點考察對象。

不同的狀態和環境組合出10種工況，如表1所示：

3.2 邊界條件

船舶是一個漂浮體，處于平衡力系之下，但沒有對剛體運動的約束。而有限元位移法分析要求結構的剛體運動被限制，以便計算結構的相對變形。為此，必須給船體加上適當的約束，令船體不做剛體運動，同時也不能限制船體變形，不能影響全船結構的受力，這樣求出的相對變形與內力才是真實的［2］。

3.2.1 滿載航行和靜水起吊狀態

船體結構的變形狀態十分復雜。一般而言 ，如果結構是以彎曲為主 ，在兩端中和軸附近的節點施加類似簡支的約束比較合理［3］。約束點的選取應盡可能遠離將來所關心的應力位置。本船整體模型被約束了兩個位置，一個在船尾

尾封板處中和軸位置，對該部位的節點約束x、y、z三個方向的位移；另一位置在防撞艙壁處中和軸位置，約束y、z兩個方向位移。

3.2.2 自升后起吊狀態

為了模擬風機吊裝作業船在樁腿自升、船體抬離水面后進行起吊的真實狀況，對樁腿與船體連接處外板進行約束。選擇樁腿處外板與船底相交的節點進行約束，在此四個部位的節點均約束x、y、z三個方向的位移。

表1 計算工況說明

4 載荷計算

4.1 空船重量

4.1.1 船體鋼料重量

本船船體鋼料重量1 921.69 t，計算模型中網格比較均勻，板厚總體相差不大，可將結構自身重量等效為所有節點上作用的集中力；或以慣性力g的形式進行加載，本船以g的形式施加。

4.1.2 舾裝重量

本船舾裝重量653.37 t，可將其分散在每個節點上，以等效的集中力加載［4］。計算模型中共316 332個節點，每個節點上的集中力為20.24 N。

4.1.3 機電重量

本船輪機設備重量199.64 t，按輪機及主要設備在船上所處的位置區域以MPC的形式作用在對應的結構節點上。

4.1.4 食品淡水重量，燃油、滑油及爐水重量

本船淡水20.44 t，燃油、滑油298.2 t，分別以面壓力的形式施加到模型對應艙室的結構節點中。

4.1.5 壓載水重量

根據總布置圖，本船設置6個壓載水艙以對浮態進行調整，在Fr.7～Fr.40設置4個，在Fr.134～Fr.143設置2個。滿載情況下，首部壓載160 t，尾部壓載 640 t。

4.2 風載荷

本海上風機運輸吊裝船為一艘近海施工的船舶，其設計適航環境為：浦氏6級、風速10.8～13.8 m/s、浪高3～4 m，設計風速V取值為13.5 m/s。

由文獻［5］風壓P可按下式計算：

作用于構件上的風力F應按下式計算，并應確定合力作用點的垂直高度

式中：P 為風壓，kPa；

S為平臺在正浮或傾斜狀態時，受風構件的正投影面積，m2；

Ch為受風構件的高度系數；

Cs為受風構件形狀系數。

按上述公式計算得到波浪航行、自升后起吊狀態下船體、上層建筑、起重機、樁腿以及風機（塔筒、機艙、輪轂葉片）等部件所受風載荷。船體及其構件的風載荷按照2種方式施加到有限元模型上［6］：

（1）對于船體、上層建筑等板結構，按式（1）計算的風壓施加到模型上；

（2）對于起重機、樁腿、風機各部件等，按風力引起的彎矩施加到模型上；

4.3 吊機、風機及樁腿自重

4.3.1 起重機自重

本船吊機重量約 500 t（其中吊臂 160 t），以MPC的形式加載到對應的結構節點上。吊臂自重及自重引起的彎矩與吊臂所受風載荷引起的彎矩共同作用后得到吊機基座承受的力和彎矩。

4.3.2 樁腿自重

單根樁腿自重180 t，每個樁腿通過三組齒輪齒條實現船體升降，每組齒輪可采用2個MPC來模擬，計24個MPC。樁腿處承受的壓力可將其分散在每個MPC上，以等效的集中力加載。

（1）靜水起吊和波浪航行時，樁腿處外板每個MPC承受的載荷為294 kN；

（2）自升后樁腿處外板每個MPC承受的載荷為2 204.36 kN。

4.3.3 風機自重

設計單程運輸量：3套單機容量3 MW的風機，華銳SL3000-90型風電機組。采用“三葉式”的方式進行裝載運輸。

在船長方向上左舷依次放置兩個機艙，右舷放置一個。機艙重量以面積力的形式施加。其風載荷引起的彎矩忽略。上、中下塔筒，輪轂和風葉的“三葉式”組合體，分別采用7個MPC單元模擬，施加在相應的風機部件與甲板結構相接觸的節點上。從船尾到船首、左舷到右舷的方向，分別是上塔筒、中下塔筒，上塔筒、中下塔筒，中下塔筒、上塔筒，三套輪轂葉片組合體。如圖2所示。

4.4 舷外水壓力

計算中分別考慮了靜水、波浪水動壓力2種舷外水條件，以面壓力的形式進行加載。

4.4.1 滿載靜水狀態

根據滿載狀態下的重量數據（包括空船重量、油水和吊重載荷）計算吃水，形成舷外水壓力的函數，通過定義與垂向坐標 z線性相關的域（field）函數施加船體各單元節點處。

4.4.2 滿載波浪狀態

波浪狀況下舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動壓力兩部分組成［7］，舷外水壓力函數為：

其中：L為船長，m；D為型深，m；d為設計吃水，m。

5 計算結果

通過有限元靜力分析，船體結構板單元最大應力結果匯總于表2；表3給出了部分主要構件的最大應力結果。除部分工況下的基座處板殼、實肋板與縱艙壁強扶強材外，各主要構件的應力分量滿足文獻［7］所列的強度標準。

由上述計算結果可知，在自升后起吊狀態下，船體結構中的應力水平較高，見下頁圖3。其主要構件應力集中現象明顯，如圖5、圖6。圖4為3.5工況下整船位移云圖。

6 結 語

對海上風機吊裝船的全船結構強度分析表明：

（1）參照目前的CCS規范，設計完成的海上風機吊裝船結構，其部分構件應力較大，接近甚至超出材料應力。因此對風機吊裝船進行全船結構強度有限元計算與分析，對船體結構進行校驗是必要的。建議有關部門盡快制定海上風機吊裝船專門規范，對設計工作予以指導；

（2）在自升后起吊狀態下，船體結構中的應力水平較高。波浪航行、靜水起吊狀態下的工況明顯不危險，為了減小計算本身以及數據處理和分析的工作量，可以忽略那些明顯不危險的工況；

（3）較高的應力水平（而不滿足強度標準）基本上都是由應力集中造成的局部強度不夠；

（4）應力處于超界狀態的區域大部分集中在吊機基座處以及主體與樁腿的連接部位；在船體自升后起吊的狀態下，樁腿處船底板剛性固定，船體應力集中現象最為突出，這部分結構，既要傳遞巨大豎向載荷，又要承受和抵抗風載荷產生的水平載荷。依據文獻［7］所列的強度標準，與船體縱向強構件相比，橫向強構件更難滿足強度要求；

（5）從本船的應力計算結果表明，上層建筑結構的應力水平不高，沒有超界板梁單元，因此直接計算時，模型中可以對上層建筑結構進行簡化甚至忽略（但是必須考慮其重量）；

（6）本文依據文獻［7］中的強度標準的規定進行校核，其強度標準的選擇對于風電船來說有一定的局限性。

［1］王利永.船舶結構強度全船有限元計算研究［D］.武漢理工大學碩士學位論文.2006：9-95.

［2］姜橋.集裝箱船結構強度分析研究［D］.上海交通大學碩士學位論文.2009：58-93.

［3］張少雄、楊永謙.船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用［J］.中國艦船研究：2006（2）：58-61.

［4］任思揚.工程船結構強度直接計算及優化研究［D］.武漢理工大學碩士學位論文.2006：15-75.

［5］CCS.海上移動平臺入級與建造規范［S］.人民交通出版社，2005.

［6］馬網扣，羊衛.CPoE-62自升式作業平臺整船強度入級計算［J］.上海造船：2008（1）：17-22.

［7］CCS.散貨船結構強度直接計算分析指南［S］.人民交通出版社，2003.