自升式風車安裝船主甲板強度評估

自升式風車安裝船主甲板強度評估

黃金林,劉仁昌,張利軍

(中遠船務工程集團有限公司， 遼寧 大連 116600)

摘要：簡要介紹自升式風車安裝船的功能和主甲板裝載狀況。參考風車安裝船主甲板裝載布置，通過對比主甲板的局部載荷、板厚、骨材尺寸與跨距、大梁尺寸和跨度等因素，確定了4個能代表整個主甲板的目標區域進行強度分析。針對自航工況，應用工作應力法，并充分考慮了主甲板局部應力與總體應力的疊加，應用SESAM軟件建立有限元模型對其進行強度評估，根據工作應力法的校核準則判斷目標區域強度是否符合要求，進而完成對主甲板結構的強度校核。

關鍵詞：風車安裝船；主甲板；結構強度；強度計算

0引言

自升式風車安裝船是一種全新的海洋工程船舶，主要用于海上風力發電機組的運輸、安裝和維護。它將常規船舶運輸、自航與海洋平臺的自升、起重等多船功能集成到一艘船上，成為近幾年全球海工發展的重要方向。

自升式風車安裝船為自升式船形結構，采用了4條圓筒形樁腿、液壓頂升系統和900 t的主吊等，最大載重量達5 100 t，這給主甲板的結構強度帶來了很大的挑戰。

本文針對自航工況，考慮了總縱彎曲應力和局部應力的疊加，對風車安裝船的主甲板結構強度進行了計算校核[1—2]。

1主參數和分析方法

1.1　風車安裝船主參數

總長

133.1 m

型寬

39.2 m

型深

9.8 m

設計吃水

5.6 m

最大載重量

5 100 t

1.2　主甲板裝載情況簡介

該風車安裝船最大載重量為5 100 t。根據風車部件的重量和風車船的總布置圖，經過計算論證，得出了主甲板上的甲板貨物重量分布平面圖，作為甲板結構分析的設計載荷，如圖1所示。

圖1　甲板貨物重量分布平面圖

圖1中的水平豎直交叉線表示該區域的主甲板可以承受150 kN/m2的重量載荷，交叉斜線表示該區域的主甲板可以承受100 kN/m2的重量載荷(船尾甲板)，豎直線表示該區域可承受50 kN/m2的重量載荷，水平線表示該區域可承受10 kN/m2的重量載荷(生活區及船首甲板)。

1.3　主甲板分析目標區域選取

從主甲板上選取數個甲板目標分析區域，這些目標分析區域的選擇標準需滿足如下原則：假若所選取的甲板分段的結構強度滿足工作應力法所規定的強度要求，則整個主甲板都滿足強度要求。因此，選取校核區域時應充分考慮到局部載荷、板厚、骨材尺寸、骨材間距和跨距、大梁間距和跨距以及總縱彎曲應力的影響。

根據該原則，對照圖2，選擇了以下4個區域。

圖2　主甲板俯視圖

下面對主甲板結構中板、筋、梁的強度分別進行分析。

比較普遍的劃分方法如下：

局部結構：如板、筋、梁和肘板；

主要結構：如大梁和立柱；

整體結構：如甲板的基礎支撐結構。

由表1可知，當對主甲板的扶強材進行分析校核時，可變載荷取q(kN/m2)，在本專題中即為150 kN/m2；而對梁進行分析校核時，可變載荷取fq(kN/m2)。

1.4　分析方法

本文采用工作應力法對目標甲板區域的強度進行校核，通過比較結構構件在不同加載條件下計算的最大von-Mises應力與材料的屈服極限與最大許用利用率系數的乘積，即：

σeqv<ηpfy

式中：σeqv為計算得到的von-Mises應力；fy為材料的屈服極限；ηp為最大許用利用率系數。

該方法定義了5種加載條件見表2。由于本文針對自航工況，相應選擇了自航狀態下最典型的2種加載條件(a)和(b)。

表2　加載條件

2載荷分析和設計工況劃分

2.1　載荷分析

在風車安裝船的主甲板結構設計校核過程中，主要考慮的載荷有重量載荷(包括固定載荷和可變載荷)、液艙水壓力和慣性力載荷。其中重量載荷的取值通過圖1和表1來選取，液艙水壓力直接通過Genie軟件施加，慣性加速度的值則要通過水動力計算求得，且要考慮到船舶航行過程中可能遇到各種浪向的環境載荷。

本文選取0°、45°和90° 3個典型浪向，具體數值見表3，且在每種浪向下應同時考慮X、-X、Y、-Y、-Z5個方向的慣性加速度(加速度為Z方向時貨物對主甲板沒有慣性力作用)。

表3中，點1至點4的位置如圖3所示。圖3中的4個點處的加速度完全能夠涵蓋整個主甲板區域的加速度。

表3　各浪向下的加速度　　m/s2

圖3　加速度計算點位置

2.2　工況劃分

經過以上分析，可將主甲板的分析工況詳細劃分,見表4。表4中的對勾表示該載荷在對應工況下要考慮。

3結構有限元模型

主甲板各個區域的有限元分析模型均采用4節點殼單元來模擬，每根梁、筋、肘板包括關鍵區域的面板削斜處理和肘板的軟趾均按實際結構進行模擬。綜合考慮梁和筋的實際尺寸和有限元計算理論，做出以下規定：當對大梁和立柱進行分析時，網格尺寸為100 mm×100 mm；而對扶強材進行分析時，網格尺寸為50 mm×50 mm。全船模型和邊界條件如圖4所示。

表4　計算載荷工況

注：1. 對扶強材和桁材進行校核時，重量載荷分別取p和fp，見表1。

2. 加載條件(b)下的慣性力載荷應考慮0°、45°和90°的浪向情況。

圖4　全船模型和邊界條件

該局部模型是由總體模型中分離修改得到，只在遠離目標分析區域的位置約束結構的平動，盡量減少約束對目標區域真實位移的影響。

4強度分析和評估結果

4.1　屈服強度

本文強度校核采用工作應力法，其最大許用利用率系數ηp通過下面的公式得到：

ηp=βη0

式中：η0為基本許用利用率系數，見表5；β取決于結構類型、失效模式和細長比的系數，在屈服強度校核時β取1。

表5　基本許用利用率系數

注：平臺在無人作業的極端條件下，加載條件(b) 的利用系數可以取0.84。

該風車船的主甲板結構鋼材選用NV-36高強鋼，其屈服強度為355 MPa。

假若某局部區域(如肘板趾端)的峰值應力超過了屈服極限，但其應力能夠再分配到相鄰結構，且該位置處的動載荷不會引起疲勞破壞，當該位置的峰值應力低于表6的應力上限值時，則該位置的強度可以認為符合挪威船級社規范要求，即該局部區域的峰值應力σpeak滿足以下公式：

σpeak≤ηpeakfy

式中：σpeak為應力集中區域的最大許用應力；ηpeak為峰值應力利用系數，見表6。

表6　細化網格有限元模型許用峰值應力利用系數

基于以上分析，得出最大許用應力值，見表7。

表7　許用應力值匯總

4.2　總縱彎曲的影響

由于自航工況下，可能發生中拱和中垂，且總縱彎曲主要由主甲板結構來承受，故對船中區域的板和連續縱向構件進行校核時，總縱彎曲應力不能忽略[5—6]。

用Nauticus Hull軟件對船中典型橫剖面進行分析。當該船總縱彎曲最大時，在船中區域主甲板處的von-mises應力不超過113 MPa,因此校核船中區域縱向構件和板材時，扣除總體應力后的許用應力為171 MPa。

4.3　計算結果

對自航工況下受靜態載荷以及同時受動靜載荷的裝載條件下各區域的橫梁、扶強材、肘板進行分析校核，將計算得到的最大von-mises應力與最大許用應力進行比較，結果顯示主甲板各區域的結構計算應力大都小于最大許用應力要求。只有少數肘板趾端由于應力集中效應，其峰值應力大于許用應力，但仍滿足峰值應力的要求，因此可以認為主甲板的各結構強度均滿足工作應力法的強度要求。

本文僅給出了部分區域在典型工況下的計算結果圖片。

圖5為機艙在靜態載荷作用下桁材的應力分布；圖6為上述工況下峰值應力處的細節圖；圖7為在0°浪向下，船中區域主甲板的板材和縱向構件端部的應力分布情況。

圖5　機艙上部主甲板梁的應力分布

5結論

(1)主甲板結構設計滿足自升式風車安裝船在自航工況下的強度要求。

(2)桁材跨度大且側向載荷也較大時，可能導致筋被支撐的兩端出現相對變形，容易引起筋固定端出現較大的彎曲應力，結構設計初期需要重點關注跨距較大且剛度較小的桁材，避免出現相對變形。對于無法避免的大跨距艙室，如機艙，可通過在桁材跨距中間加支柱的方法減小桁材的彎曲變形。

(3)對于兩端固支梁彎曲與相對變形彎曲同時存在的筋，需要針對2種彎曲的疊加對筋展開強度校核，構件尺寸確定則需要確定2種彎曲對構件強度要求所占的比例。

(4)校核船型結構的主甲板強度時，應充分考慮總縱彎曲對主甲板的影響，即要考慮總體應力與局部應力的疊加。

圖6　局部放大圖

圖7　船中區域板和縱向構件應力圖

參考文獻：

[1]蔣志巖，古長江.滾裝船車輛甲板強度分析[J].船舶，2004(2)：20-24.

[2]吳南，周炳.某自升式平臺直升機甲板結構評估[J].工業技術，2013(26)：116-117.

[3]吳梵，朱錫，梅志遠.船舶結構力學[M].北京：國防工業出版社，2010.

[4]謝永和，吳劍國，李俊來.船舶結構設計[M].上海：上海交通大學出版社，2013.

中圖分類號：U661.43

文獻標志碼：A

作者簡介：黃金林(1988—),男，碩士，助理工程師，研究方向為船舶結構設計與振動噪聲。

收稿日期：2015-03-04

基金項目：工信部高技術船舶科研項目(工信部聯裝2011536號)