自升式波浪發(fā)電平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析

石晶鑫李德堂李達(dá)特張 偉李 飛

（1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022；2.浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院 舟山316022）

自升式波浪發(fā)電平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析

石晶鑫1李德堂1李達(dá)特1張 偉2李 飛1

（1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022；2.浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院 舟山316022）

基于自行設(shè)計(jì)建造某小型自升式平臺(tái)，根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》，采用MSC.Patran/Nastran有限元分析軟件建立有限元模型；針對(duì)自升式平臺(tái)在發(fā)電作業(yè)、自存兩個(gè)典型工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和模態(tài)分析，獲得平臺(tái)的模態(tài)振動(dòng)規(guī)律。分析結(jié)果顯示，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足發(fā)電作業(yè)工況和自存工況。

自升式平臺(tái)；波浪發(fā)電；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；有限元分析；模態(tài)分析

引 言

海洋波浪能是一種清潔環(huán)保的可再生新能源，而波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式［1］。振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置通過(guò)浮筒采集波浪能，再采用液壓裝置轉(zhuǎn)化能量，最終使能量轉(zhuǎn)化為電能［2］。自升式平臺(tái)由于其良好的適應(yīng)性、可移動(dòng)性、作業(yè)穩(wěn)定性和定位能力，在海洋石油開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。波浪雖然只是海水質(zhì)點(diǎn)在原地的起伏運(yùn)動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)能力十分巨大，破壞力也很大。因此，我們借助于自升式平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，將振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置應(yīng)用到自升式平臺(tái)，建造一座小型自升式波浪發(fā)電平臺(tái)。當(dāng)臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，浮筒升離海平面，從而更有效地保護(hù)浮筒。

本文借助有限元軟件MSC.Patran/Nastran，以“惡劣海況下自保護(hù)式高效穩(wěn)定波浪發(fā)電裝置”項(xiàng)目中的自升式波浪發(fā)電平臺(tái)為研究對(duì)象，建立平臺(tái)有限元模型，分析平臺(tái)在風(fēng)、海流和波浪聯(lián)合載荷下的受力狀況，進(jìn)行平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及模態(tài)分析，從而為海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.1 平臺(tái)主尺度

平臺(tái)主尺度為：L=13.6 m、B=12.26 m、D=3.1 m，作業(yè)時(shí)平臺(tái)基線(xiàn)距海面5 m。

本平臺(tái)如圖1所示：共有三根圓柱形樁腿。樁腿平面布置呈三角形，每根樁腿總長(zhǎng)18 m，由高17 m、直徑0.6 m的圓柱體樁腿（每根樁腿上附有高1.4 m，直徑3.2 m的浮筒，兩側(cè)附有各高10 m的波浪柱）和高1 m、直徑2 m的圓柱體樁靴組成。

圖1 自升式波浪發(fā)電平臺(tái)總布置圖

1.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

自升式波浪發(fā)電平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，樁腿和平臺(tái)的連接通過(guò)插銷(xiāo)油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。浮筒通過(guò)波浪柱與平臺(tái)主體連接，如圖1所示，但是考慮到建模的復(fù)雜性，波浪柱的模型忽略不計(jì)，樁腿與浮筒固定絞支連接。T型材和角鋼采用梁?jiǎn)卧＃脚_(tái)主體、樁腿、樁靴和浮筒都用板單元建模。本文采用MSC.Patran軟件建模，可以完成靜力分析和模態(tài)分析。

圖2 自升式波浪發(fā)電平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

2 計(jì)算載荷

2.1 固定載荷和可變載荷

平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的載荷主要包括固定載荷、可變載荷和環(huán)境載荷。固定載荷包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量和設(shè)備質(zhì)量；可變載荷包括燃油、壓載水、人員和糧食等。本文以重力加速度的形式加載固定載荷和可變載荷，平臺(tái)的固定載荷和可變載荷分布分別如表1和下頁(yè)表2所示。

表1 平臺(tái)的固定載荷分布

表2 平臺(tái)的可變載荷分布

2.2 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷主要包括風(fēng)載荷、波浪載荷和海流載荷。環(huán)境載荷計(jì)算組合標(biāo)準(zhǔn)：通過(guò)分析選取一系列最不利的載荷組合，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出“最大波浪+對(duì)應(yīng)的海流+對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷”組合為最不利組合［3］。

2.2.1 風(fēng)載荷

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》［4］，風(fēng)壓P和作用在構(gòu)件上的風(fēng)力F計(jì)算公式分別為：

式中：υ為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；P為風(fēng)壓，Pa；S為受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；Ch為暴露在風(fēng)中構(gòu)件的高度系數(shù)，Ch=1.0；Cs為暴露在風(fēng)中構(gòu)件的形狀系數(shù)，Cs=1.0。

2.2.2 波浪載荷

浮筒、樁腿與波長(zhǎng)相比，尺度較小，其波浪力采用Morison公式程序自動(dòng)完成計(jì)算波浪理論采用線(xiàn)性波理論［5］。計(jì)算中考慮海流的矢量疊加。

式中：Cd為拖曳力系數(shù)，Cd=1.0；Cm為慣性力系數(shù)，Cm=1.0；D為圓柱構(gòu)件的直徑，m；u為垂直于構(gòu)件軸線(xiàn)的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的速度分量；a為垂直于構(gòu)件軸線(xiàn)的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的加速度分量。

3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算考慮發(fā)電作業(yè)工況和自存工況，兩者都為靜力分析過(guò)程。

3.1 相關(guān)的計(jì)算參數(shù)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的平臺(tái)的材料屬性及各工況設(shè)計(jì)的環(huán)境狀態(tài)如表3和表4所示。

表3 自升式平臺(tái)計(jì)算相關(guān)參數(shù)

表4 環(huán)境條件及作業(yè)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

各工況最大應(yīng)力云圖及位移計(jì)算結(jié)果如圖3 -圖 6所示。

圖3 發(fā)電作業(yè)工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖

圖4 發(fā)電作業(yè)工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移圖

圖5 自存工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖

圖6 自存工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移圖

兩種工況下自升式波浪發(fā)電平臺(tái)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 平臺(tái)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及變形情況匯總

從圖3 -圖6可知，在發(fā)電作業(yè)工況下，應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在浮筒與樁腿接觸的地方；在自存工況下，應(yīng)力最大區(qū)域也出現(xiàn)在浮筒與樁腿接觸的地方。

由表5可知，發(fā)電作業(yè)工況下，自升式波浪發(fā)電平臺(tái)最大應(yīng)力和位移分別為43.8 MPa和6.87 mm；在自存工況下，自升式波浪發(fā)電平臺(tái)最大應(yīng)力和位移分別為48.0 MPa和7.03 mm。兩種工況下的最大應(yīng)力都小于鋼材屈服強(qiáng)度235 MPa。

從各種工況的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形均較小，完全滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。但是平臺(tái)最大應(yīng)力主要集中在浮筒和樁腿接觸區(qū)域，由于海水腐蝕和浮筒上下運(yùn)動(dòng)，這樣容易引起浮筒上下運(yùn)動(dòng)與樁腿常接觸的區(qū)域疲勞，所以在該區(qū)域樁腿內(nèi)部加上加強(qiáng)筋和特殊材料以保證該區(qū)域的強(qiáng)度。

4 平臺(tái)自振特性分析

在進(jìn)行動(dòng)力分析前，首先要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)分析，其目的在于確定平臺(tái)的自振特性（即固有頻率和振型）。計(jì)算出結(jié)構(gòu)的自振周期后，可將其與平臺(tái)所在區(qū)域的波浪周期進(jìn)行比較，以判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性，確定是否應(yīng)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析［6］。

4.1 平臺(tái)有限元模型的建立

由于動(dòng)力分析的計(jì)算精度與時(shí)間和結(jié)構(gòu)整體自由度的多少和劃分單元的種類(lèi)有很大的關(guān)系［6］，而本文著重研究平臺(tái)整體的動(dòng)力分析，因此本文直接采用靜力分析模型進(jìn)行自振特性分析。

4.2 平臺(tái)自振特性分析結(jié)果

平臺(tái)的固有頻率是平臺(tái)的本質(zhì)屬性，決定著平臺(tái)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)特征［3］。因此，針對(duì)平臺(tái)固有頻率的平臺(tái)模態(tài)分析是研究平臺(tái)在動(dòng)載荷作用下安全性能的一項(xiàng)重要工作。本文采用MSC. Patran模態(tài)分析，模擬計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率及相關(guān)振型。下頁(yè)表6給出自升式平臺(tái)前10階自振頻率；下頁(yè)圖7 -圖10分別為平臺(tái)的1階、2階、3階與4階振型圖。

表6 自升式平臺(tái)前10階自振頻率

圖7 平臺(tái)的1階振型圖

圖8 平臺(tái)的2階振型圖

圖9 平臺(tái)的3階振型圖

圖10 平臺(tái)的4階振型圖

由表6和圖7-圖10可知，通過(guò)振動(dòng)分析，可以了解自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動(dòng)形式。平臺(tái)第1階和第2階自振頻率較接近，對(duì)應(yīng)的自振振型的變形也相近，都為平動(dòng)變形，分別沿Y、X方向振動(dòng)。

5 結(jié) 論

自升式波浪發(fā)電平臺(tái)面臨最大的挑戰(zhàn)是如何在海上自存和抵抗惡劣的海況。本文基于有限元分析軟件MSC.Patran，對(duì)平臺(tái)在發(fā)電作業(yè)、自存工況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。計(jì)算結(jié)果表明：平臺(tái)結(jié)構(gòu)在各種工況下的應(yīng)力均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，該平臺(tái)具有較好的抗風(fēng)、抗波浪能力，實(shí)施海上工程波浪發(fā)電。但當(dāng)臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，浮筒需要升離海平面。計(jì)算結(jié)果顯示，自升式波浪發(fā)電平臺(tái)最大應(yīng)力區(qū)域主要是在浮筒與樁腿接觸之處。因此，在海上實(shí)施波浪發(fā)電的時(shí)候，這些區(qū)域應(yīng)該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

［1］ 譚思明，秦洪花，趙霞，等.海洋波浪能領(lǐng)域國(guó)際專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)分析［J］ .現(xiàn)代情報(bào)，2011，45（6）：14.

［2］ 王凌宇.海洋浮子式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)， 2008：2-10.

［3］ 顧俊，唐堯.“自強(qiáng)”號(hào)生產(chǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.船舶，2010（6）：10-15.

［4］ 中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社， 2005.

［5］ 孫東昌，潘斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社， 2007（9）：53-71.

［6］ 劉小燕.基于SESAM軟件的自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)及疲勞分析研究［D］天津：天津大學(xué)， 2011（11）：58-76.

Structural strength and modal analysis of jack-up wave power platforms

SHI Jing-xin1LI De-tang1LI Da-te1ZHANG Wei2LI Fei1
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 2. School of Ocean Shipping and Port Waterway Construction Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China)

Based on a small jack-up platform which is designed and built by the University, this paper establishes a fi nite element model according to “Rules for the Classi fi cation and Construction of Offshore Mobile Platform”by the fi nite element analysis software MSC. Patran/Nastran. In view of the jack-up platform under the working condition of power operation and self-survival, it carries out structural calculation and modal analysis to obtain the law of modal vibration. The results show that the structural strength of the platform can meet the working condition of power operation and self-survival.

jack-up platform; wave power; structural strength; fi nite element analysis; modal analysis

U661.43

A

1001-9855（2014）03-0030-05

國(guó)家海洋局可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（ZJME2011BL04）。

2013-08-01 ；

2013-09-28

石晶鑫（1989-），男，碩士，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與制造工作。

李德堂（1965-），男，教授級(jí)高工，主要從事海洋工程的研發(fā)工作。

李達(dá)特（1986-），男，碩士，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與制造工作。

張 偉（1988-），男，碩士，主要從事船舶電氣及自動(dòng)化控制工作。

李 飛（1987-），男，碩士，主要從事船舶電氣及自動(dòng)化控制工作。