“遼河一號”風機安裝船結構設計

劉 曄 張曉宇 張秀巖 楊 雪

（渤海裝備公司研究院 海工裝備分院 盤錦124000）

引 言

“遼河一號”風機安裝船主要用于海上風力發電機的運輸、安裝作業，同時具有自航和浮吊作業能力，一次可載運2臺5 MW整體式風機至海上風場，并使用自身全回轉吊機對風機進行安裝。本船由首至尾依次為首部生活區、貨物甲板區域和尾部區域，采用8點錨泊定位系統，以滿足200 m水深范圍內的作業要求。當水深小于9.5 m時，也可以采用座底作業方式。燃油艙布置在尾部并設雙殼保護。船旗國及沿岸國為中國，入CCS船級，滿足最新的公約、規范和法規要求。

該船主要參數如下：

1 結構設計及布置原則

船體結構設計的主要內容是在滿足船舶總體設計要求下，解決船舶結構形式、構件尺度與連接方式的設計問題。把盡可能降低結構重量作為主要設計目標，保證船體有足夠的強度和剛度；同時考慮工藝可行性、建造便捷性，從而降低船舶成本，獲得良好的技術經濟性能［1］。根據本船的結構特點，遵循以下設計原則：

1.1 載荷的有效傳遞性

當載荷作用在某個構件上時，構件可將盡可能多的載荷有效傳遞給與其相連的其他構件，其他構件再將載荷傳遞給相連構件，使盡可能多的構件共同參與抵抗由于載荷的作用所帶來的應力、變形，降低作用在每個構件上的載荷。

1.2 結構的連續性

主要構件應避免剖面或高度的突然變化，當構件在艙壁或其他主要構件的兩側對接時，應保證其位置在同一直線上。液艙內的主要構件應構成一個連續性的支撐，并盡可能形成一個完整的環形框架，并在環形框架的結合處設計成具有足夠半徑的圓角。骨材及肘板端部終止時應與另一骨材或肘板連接，否則骨材端部應削斜、肘板端部設計成軟趾，避免應力集中。

1.3 結構中斷時應有適當的過渡區

構件特別是縱向構件中斷時應逐漸過渡，縱骨在首尾端隨著船寬減小，其數量也應逐漸減少，不允許較多縱骨在同一肋位上中斷。

1.4 施工的便捷性

設計時盡可能避免在狹小空間內布置各種密集構件，不可避免時應考慮改變結構形式，例如，加強結構密集布置帶來的焊接、打砂不便時，可以將加強結構設計成球扁鋼或扁鋼。

1.5 工藝的可行性

工藝因船廠不同而存在很大差異，根據實際情況，充分考慮工藝水平，將本廠的各項工藝方針、政策貫徹在結構設計中。例如：對縱骨穿越孔進行優化，從而滿足本廠預密性試驗的要求。

2 材料選擇

本船結構設計溫度為：最低空氣溫度為-10℃，最低海水溫度為-2℃。根據船級社規范相關要求，在船舯0.4L范圍內，甲板邊板、縱艙壁處甲板、舷頂列板、舭列板選用CCS-B級鋼，其余位置的甲板、船底板和縱艙壁最上列板選用CCS-A級鋼，舷側及縱艙壁選用CCS-A級鋼，尾部主吊機筒體及加強結構選用CCS-E36級鋼，直升機甲板選用鋁合金材料，其他位置結構根據要求選用CCS-A級鋼，用作設備加強的加厚板選用CCS-B級鋼。

3 結構布置

3.1 貨物區結構

貨物區4道水密橫艙壁和2道水密縱艙壁將主船體分為共計15個壓載艙，2個管隧通道由首至尾左右對稱布置在該區域，泵艙靠近首部布置并設有雙層底，燃油艙及柴油艙布置在該區域尾部，采用雙殼雙底進行保護，以滿足IMO MARPOL73/78及最新修正案的要求。

貨物區結構采用縱骨架式，能夠在滿足總縱強度的情況下，有效降低船體結構重量。該區域主甲板下主要是壓載艙和燃油艙等液艙，縱骨設計成高腹板的球扁鋼，與相同橫剖面面積的其他型材相比，可以提供更大的剖面模數，典型橫剖面圖見下頁圖1。

3.1.1 主甲板

圖1 典型橫剖面圖

甲板縱骨間距750 mm，縱骨在水密橫艙壁處保持連續，水密橫艙壁穿越孔加水密補板，每4個肋骨間距布置一道強橫梁對縱骨提供支撐，強橫梁與舷側強肋骨及船底肋板組成一個封閉的環形框架，保證結構的連續性。此外，鑒于本船型深較小、型寬較大，且甲板所載貨物風機質量很大，甲板載荷達15 t/m2；為了滿足總縱強度和局部強度的要求，又要使船體質量得到控制，增加了主甲板及底板的厚度，這是提高船體剖面模數的有效方式［2］。

經過如上的化簡.我們已經知道了一般的仿射坐標系下兩個外積的坐標表達式.這個表達式中的每一項都是與e1,e2,e3這組基向量的選取相關的,但是最后我們算出來的結果卻是與基向量的選取無關的量,體現了解析幾何中的一個重要的本質問題:坐標只是一個強而有力的工具,我們更關心的是那些不依賴于坐標的選取而變化的量.

3.1.2 底 部

底部選用單底結構，僅在泵艙、燃油艙、柴油艙等局部位置設計成雙層底，這樣在滿足總縱強度的情況下可以進一步減輕船體結構質量。與甲板相同，每4個肋骨間距布置一道實肋板，底部縱骨在水密橫艙壁處連續，水密橫艙壁穿越孔處加水密補板。水密縱艙壁左右對稱布置在距中心6 000 mm處，水密縱艙壁內側設2道內部通道，由首部泵艙通向尾部推進器艙，用作集中布置管路、電纜，同時兼作內部人員通道。

3.1.3 舷 側

舷頂列板與甲板邊板連接處高出甲板100 mm用作擋水扁鐵。在與底部連接的舭部設有多段非連續舭龍骨，便于建造時船臺合攏前，將舭龍骨安裝完畢，避免了連續舭龍骨船臺大合攏時由于舭龍骨覆板貼裝件焊接對壓載艙涂層的破壞，舭龍骨的位置根據船模試驗確定。

3.1.4 水密橫艙壁

水密橫艙壁采用平面艙壁，由垂向布置的扶強材、垂直桁、水平桁及艙壁板組成，扶強材上下端與甲板及底部縱骨對位便于構件連接。扶強材和垂直桁一起保證垂向強度，水平桁支撐垂直扶強材，且和艙壁板一起承受橫向載荷保證主船體橫向強度。

3.2 首部結構

該區域主甲板下設壓載水艙，主甲板與01甲板間設有2個獨立的機艙，每個機艙布置3臺柴油發電機組，機艙兩側為淡水艙，前端為壓載水艙。本船航速較低，吃水較淺，主體線型設計成折角線型，不僅有利于結構的加工制造，而且有利于首部結構的布置；因此貨艙區縱骨結構向首部延伸是可行的，綜合考慮將本區域結構采用混合骨架式結構?？紤]到首部抨擊對結構的影響，外板進行適當加厚，每檔肋位設置強框架保證抨擊區的局部強度。

3.3 尾部結構

尾部主甲板下布置有2對壓載艙、1對推進器艙，800 t全回轉主吊機布置在船體中心線上，吊機筒體結構穿過主甲板座落在B甲板上形成1個空艙。

推進器底座設計成高腹板的T型材結構，降低船舶航行推進器引起的結構振動，T型材之間用橫隔板作橫向加強，T型材首端適當調整后與底部縱骨對接，尾端與艉封板上的扶強材用肘板連接。

圖2 主甲板吊機筒體結構圖

4 節點設計

船體結構中存在著數量眾多的節點，節點的合理改進不僅有利于改善結構的力學性能，同時也在建造中方便施工，優化工藝。本船在進行結構設計時對各類節點進行改進，其中最典型的是防傾肘板和水密穿越孔及補板。

4.1 防傾肘板

傳統的強框架在縱骨處的防傾肘板根部開有R35 mm×70 mm的切口，強框架背面設有小肘板，如圖3中（a），但由于增加小肘板既增加空船質量，又增加建造時人工工時和鋼料。本船節點設計時去掉了強框架背面的小肘板，把防傾肘板根部的切口改進為長圓孔，如圖3中（b）［3］。

圖3 防傾肘板切口

4.2 水密穿越孔及補板

為滿足PSPC要求，平臺結構建造時將艙室密性試驗由船塢階段前移到分段制作或中組階段進行是非常必要的，水密構件角焊縫通常采用角焊縫充氣試驗作為預密性試驗的手段。為保證角焊縫充氣試驗時氣道的暢通，對影響角焊縫充氣試驗的穿越孔及補板在結構設計時要進行改進，采用了圖4的形式，補板的切角a×a不再采用傳統固定大小的形式，改進為比該處縱骨焊角高度大1 mm［4］。

圖4 穿越孔及補板

5 船體強度分析

航行工況下船體結構已根據相關規范進行校核。本文針對本船的工作特點選取典型危險工況對全船進行有限元分析，通過直接計算的方法保證結構安全性。有限元分析采用ANSYS軟件按結構圖紙進行建模，主甲板、舷側、底部、艙壁等平板構件以及強橫梁、強肋骨等桁材結構均采用板單元進行建模，各種骨材均采用梁單元進行建模。有限元網格劃分原則為：船體橫向和垂向以1個縱骨間距為1個單元，縱向以1個肋骨間距為1個單元。有限元模型見下頁圖5。

船體結構分析選取船舶運營過程中典型的危險工況，具體工況參見下頁表1。

圖5 船體有限元模型

表1 平臺結構分析工況

各工況分析過程中采用AQWA-LINE軟件計算單位波高下，不同頻率、不同角度的波浪力，取迎浪時中拱、中垂兩種情況，通過AQWAWAVE衍射到船體模型上。同時座底作業工況和漂浮作業工況要考慮吊機載荷，選取吊機產生最大力和力矩的工況，力矩方向分別與波浪產生的中拱、中垂進行疊加，即載荷按照最不利情況進行組合的原則。

尾部800 t全回轉吊機底部結構進行局部強度分析，有限元模型將整個船體尾部結構考慮進來，有限元模型見圖6。

圖6 平臺艉部結構有限元模型

吊機載荷工況如表2所示，力矩載荷施加時按照360°每隔30°進行搜索計算，以獲得吊機臂在每個角度下的底部結構應力水平。

表2 尾部 800 t吊機底部結構分析工況

6 有限元分析結果

根據CCS規范［5］及相關要求，用有限元分析軟件ANSYS及水動力分析軟件AQWA，對船體在各種工況下結構強度進行計算，對于參與結構分析的船體結構構件應按以下規定確定其許用應力［σ］：

式中：σS為材料的屈服強度，N/mm2；S為安全系數。

船體結構所用鋼材為CCS-A或CCS-B鋼級，尾部吊機筒體及加強結構采用CCS-E36鋼級，取用的安全系數為1.11。因此主體的許用應力［σ］為211.7 MPa（235/1.11=211.7），尾部加強結構的許用應力［σ］ 為 324 MPa（360/1.11=324）。

根據本船結構特點，由尾至首將平臺分成7個艙段，分別是：尾部艙段（尾封板到33肋位），第2艙段（33肋位到57肋位），第3艙段（57肋位到81肋位），第4艙段（81肋位到105肋位），第5艙段（105肋位到129肋位），第6艙段（129肋位到153肋位），首部艙段（153肋位到艏部）。

主體結構分析和尾部吊機底部結構的von Mises應力水平分別見下頁表3-表6，應力云圖見下頁圖7-圖12，經校核船體結構屈服強度滿足規范要求。

屈曲校核主要針對壓應力和剪應力較大的板和構件。本船設計考慮甲板作業、座底和裝載等情況，為滿足結構強度選取的結構板厚都較大，不易發生屈曲破壞。通過對受壓板格、受壓縱向構件以及受剪的板格進行屈曲校核，均滿足屈曲強度要求。

表3 工況1主體結構von Mises應力水平 MPa

表4 工況2主體結構von Mises應力水平 MPa

表5 工況3主體結構von Mises應力水平 MPa

表6 艉部吊機底部結構von Mises應力水平 MPa

圖7 工況1全船結構von Mises應力云圖

圖8 工況2全船結構von Mises應力云

圖9 工況3全船結構von Mises應力云圖

圖10 工況4吊機底部von Mises應力云圖

圖11 工況5吊機底部von Mises應力云圖

圖12 工況6吊機底部von Mises應力云圖

7 結 論

“遼河一號”風機安裝船結構設計選用鋁合金直升機甲板，改進結構布置，取消強框架防傾肘板背面的小肘板，有效降低了船體結構質量，有限元計算表明船體結構滿足規范要求。在設計中通過對防傾肘板切口的優化，去掉背面小肘板，在一定程度上降低了結構質量；同時在遵循相關設計規范的前提下，采用非連續舭龍骨、方形吊機筒體結構、適合預密性試驗的水密補板形式等多項措施，盡可能便于在建造時的現場施工，并滿足了工藝要求。

［1］ 劉向東.船體結構與強度設計［M］ .北京：人民交通出版社，2007.

［2］ 喬國瑞，孫雪榮，周佳，等.3 000 t自航起重船結構設計與強度分析［J］.船舶，2011（5）：21-26.

［3］ 潘希潁.散貨船底部縱骨防傾肘板節點疲勞優化研究［J］ .船海工程，2014（4）：9-14.

［4］ 劉曄.角焊縫充氣試驗在自升式船體上的應用［J］.船海工程，2014（4）：94-95.

［5］ 中國船級社.海上移動平臺入級規范［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［6］ 中國船級社.鋼質海船入級規范［M］ .北京：人民交通出版社，2009.