自升式風車安裝船升降室與導向結構強度評估

王永剛，劉仁昌，張利軍，李連亮，王金峰，汪 勇

(中遠船務工程集團有限公司， 遼寧 大連 116600)

自升式風車安裝船升降室與導向結構強度評估

王永剛，劉仁昌，張利軍，李連亮，王金峰，汪 勇

(中遠船務工程集團有限公司， 遼寧 大連 116600)

考慮到自升式風車安裝船的升降室和導向結構在樁腿和主船體之間連接和傳遞載荷起關鍵作用，參考DNV海工規范要求并結合有限元直接計算方法，使用Genie軟件對兼做吊車基座的左后升降室和導向結構進行有限元建模和應力分析，采用工作應力法評估目標結構的強度，得出升降室與導向結構基于強度設計的影響因素。

自升式風車安裝船；升降室；導向結構；吊車基座；工作應力法；強度評估

中遠船務工程集團承接的近海風車安裝船主要用于海上風力發電機組的運輸、安裝和維護。它是一款自升式船型結構物，集自升式平臺和起重船的功能和特點于一身，4根圓筒形樁腿與4套插銷式液壓頂升系統相配合，通過升降室和上下導向結構與主船體相連接。配有900 t起重能力的吊車，以環繞樁腿的方式布置在船尾左舷的升降室上，使該升降室在傳遞樁腿和船體之間的相互作用力的同時，兼做主吊車的基座結構。與傳統的自升式起重船布置[1]相比，該布置可以有效地提升甲板空間，減少單獨做吊車基座的結構重量，增大吊車在船外的起重范圍和高度。同時也使升降室結構承受更大的載荷和彎矩，因此需要校核其結構強度。

1 升降室與上下導向結構的特點

近海風車安裝船主參數見表1。

表1 近海風車安裝船主參數 m

升降室是一箱形結構，頂部有兩層甲板，液壓頂升系統位于升降室內。每套液壓頂升系統由4個鉸接梁和8組油缸組成。每個鉸接梁通過1個樁腿插銷和2個對稱的升降油缸插銷分別與樁腿和油缸組下端相連接，油缸上端再通過插銷與位于升降室頂部的眼板相連接。利用油缸中活塞桿的伸縮帶動鉸接梁上下運動，并利用樁腿插銷固定樁腿，從而實現主船體和樁腿的相互運動和定位[2-3]。導向結構為圓環形板架結構形式，上下導向間距18.1 m，導向內徑與樁腿外徑有10 mm間隙。系統布置見圖1。

圖1 升降室和上下導向結構布置

2 載荷和分析工況

2.1 載荷分析

由樁腿和頂升系統傳遞給升降室和上下導向結構的作用力包括垂向力和水平力。垂向力由8個與液壓油缸組相連接的眼板傳入，并均勻地分配給各個眼板。上下導向結構只承受水平力，圓筒形樁腿與圓環形導向結構之間的載荷作用方式為軸承載荷，假定按正弦函數分布在導向沿壓力方向的半圓周范圍內。導向結構圓環形板的板厚較大，假定其承受所有水平力的40%，剩余60%由與導向結構相連接的支撐結構承受。

在風車安裝船升降室和上下導向結構的強度校核中，載荷主要有以下幾種。

1)自重。包括樁腿、空船重量及裝載貨物；

2)吊車載荷。風車安裝船作業工況時吊起的貨物重量，只在作業工況中考慮；

3)風載。移航時主要作用在樁腿和吊車；作業和自存時除作用在樁腿和吊車上以外，還作用在風車安裝船整體以及甲板上裝載的貨物上；

4)慣性力。移航時，主要針對樁腿、吊車和液壓頂升系統等的慣性力；作業和自存時，需要考慮風車安裝船的固有周期與波浪載荷周期之間存在動態放大效應。

5)樁靴提供的浮力，只在移航工況中考慮。

2.2 分析工況

根據DNV-OS-C201[4]的規定，分別就移航、作業及自存3種設計工況對升降室和上下導向結構進行強度校核，每個設計工況包含a)和b)兩種裝載工況。其中：a)為功能載荷，b)為組合最大環境載荷和相應的功能載荷。

2.2.1 移航工況

在移航工況對應的設計環境下，主船體在水中處于漂浮狀態，樁腿主體在主船體上方，吊車不進行作業。利用準靜態法計算樁腿上的載荷[5]，根據作用力與反作用力原理，通過計算樁腿上受到的作用力，得到升降室與導向結構所受到的載荷。樁腿在移航工況受到風力，重力以及由于運動引起的慣性力。假定自升式海洋結構物的橫搖和縱搖運動為簡諧運動[6-7]，搖擺中心為水線面處的漂心，其周期為10 s，振幅為15°。考慮到風車安裝船為船型結構，保守的按照橫搖的簡諧振動(周期10 s，振幅15°)計算樁腿和升降室與導向結構之間的相互作用力。移航工況下風車安裝船的受力分析見圖2。

FTS，FTD，FW-水平的靜載荷、慣性載荷和風載； FLS，FLD-垂向的靜載荷和慣性載荷圖2 移航工況下樁腿受力分析

樁腿結構重量沿長度方向均勻分布，根據挪威船級社海工規范推薦算法，距離旋轉中心軸r處的慣性加速度為

(1)

(2)

式中：ε0——最大角加速度;θ0——橫搖振幅;Τ0——橫搖固有周期。

樁腿上承受的作用力如下。

a)水平力。

靜載荷FTS=MLgsinθ0

作用點xs=l(0.5+b/l)

慣性載荷FTD=MLε0l(0.5+b/l)

(3)

b)垂向力。

靜載荷 FLS=MLgcosθ0

(4)

慣性載荷 FLD=MLε0d

c=0.85cosθ0[(ZH/Z0)1.18-(ZL/Z0)1.18]

(5)

(6)

式中：ρ——空氣密度；g——重力加速度；Cd——拖曳力系數；D——垂直于拖曳力方向上的構件的剖面尺寸，如果是圓柱體，為直徑D；

VR——Z0處的1 min平均風速；

Z0——定義風速的參考高度(靜水面以上10 m高度位置)；

ZH——靜水面到樁腿頂部的垂直距離；

ZL——靜水面到上部導向結構的垂直距離；

ML——樁腿在上部導向結構以上部分的全部重量；

l,b,d見圖2。

樁腿在移航工況下的剪力和彎矩見圖3。

圖3 樁腿在移航工況下剪力和彎矩

根據作用力與反作用力原理，下部和上部導向結構所承受的載荷大小分別為：

(7)

(8)

式中：β——頂升系統上的垂向載荷提供的對樁腿的彎矩約束作用占總的彎矩約束作用(大小等于M0)的百分比;

M0,Q0,d見圖3。

該工況下上下導向結構的水平力由式(7)、式(8)得到，作用在升降室結構上的垂向力包括由式(4)得到的樁腿的垂向力、液壓頂升系統的重量載荷及垂向慣性載荷和樁靴提供的浮力；吊車自重通過設備載荷方式加載；風載通過定義風場由軟件自行計算。

2.2.2 作業工況

作業工況中風車安裝船處于站立狀態，整個主船體由樁腿支撐，吊車正常作業，樁腿與主船體之間的垂向作用力為主船體和裝載貨物以及吊車作業的吊重載荷，以反作用力的方式施加到與液壓油缸組相連接的8個眼板上。樁腿與主船體之間的相互作用力根據樁腿不同的插深、海床對樁靴的約束狀況、環境載荷的方向和吊車作業的方向而改變，如圖4所示。

圖4 樁腿在站立工況下載荷分布

該部分載荷通過風車安裝船的整體強度有限元分析模型中讀取。根據DNV起重設備規范規定[8]，最大吊重量900 t要乘以因為吊車作業引起的動態系數，該系數為1.1，即吊車吊起990 t貨物所能達到的最遠距離時對升降室結構產生最大彎矩，得到最危險的吊車載荷。

2.2.3 自存工況

自存工況中風車安裝船處于站立狀態，整個主船體由樁腿支撐，吊車不進行作業，樁腿與主船體之間的相互作用力與作業工況相似，并由風車安裝船的整體強度有限元分析模型中讀取。

2.3 計算工況總結

通過DNV海工規范推薦算法和總體強度分析報告，得到各個工況下樁腿和液壓頂升系統與升降室和上下導向結構之間的相互作用力。通過比較分析這些載荷，擬進行強度校核，工況見表1。

3 結構有限元模型

3.1 有限元模型

升降室和上下導向結構有限元模型主要由殼單元和梁單元組合而成[9-10]，見圖5。其中，甲板、外板、艙壁、肋板、大肘板、桁材腹板、升降室圍壁上的加強筋腹板采用四節點殼單元，其他加強筋和T型材面板采用2節點梁單元模擬，模型的整體網格單元尺寸為700 mm×700 mm，升降室和上下導向結構以及其附近相連接的結構網格單元尺寸為100 mm×100 mm，過渡區域網格單元尺寸為200 mm×200 mm。

3.2 邊界條件

選擇FR12&72橫艙壁和中縱艙壁為模型邊界，并假設模型邊界與分析目標距離足夠遠并不影響其計算結果。四周邊界與外界有艙壁連接區域6自由度固支，詳見圖5。

表1 主要計算工況

圖5 有限元模型及邊界條件

4 強度分析和評估結果

4.1 屈服強度

升降室和上下導向結構的屈服強度評估是基于挪威船級社海工規范的工作應力法(WSD法)。

(9)

(10)

式中：σeqv——計算得到的von Mises應力；fy——材料的屈服極限；ηp——最大許用利用系數；η0——基本利用系數，對應a)、b)、η0分別為0.60和0.80；平臺在無人作業的極端條件下，裝載工況b)的利用系數可以取0.84；

β——取決于結構類型、失效模式和細長比的系數，在屈服強度校核時取β=1。

升降室和上下導向結構使用了2種級別的材料，不考慮應力集中點的情況下，2種鋼材的級別和許用應力標準見表2。

表2 鋼材級別和許用應力標準 MPa

4.2 計算結果

對表1中主要計算工況的分析結果進行搜索后得到目標區域各個位置處的最大的von Mises應力結果。裝載工況a)詳見圖6，裝載工況b)詳見圖7。

圖6 裝載工況a)von Mises 應力結果

圖7 裝載工況b)von Mises 應力結果

從圖6、7可以看出，在不同裝載工況下，按照NV36鋼材的許用應力標準，整體應力水平大部分都滿足許用應力標準，升降室和主船體連接處的肘板采用NV500的超高強度鋼材亦滿足要求。個別區域由于角隅結構形式和不規則網格導致局部應力集中。依據挪威船級社海工規范[11]進一步對該區域用局部細化應力法校核，細化網格下的應力峰值為材料屈服強度和峰值應力系數ηpeak的乘積。按照表3選擇ηpeak。

表3 細網格有限元分析許用峰值利用系數(ηpeak)

考慮目標區域結構模型網格尺寸，所以ηpeak對應裝載工況a)和b)分別取1.18和1.48，得到相應材料的許用峰值應力,見表4。

表4 最大許用峰值應力

結果表明，由于局部應力集中而高于許用應力的結構，小于許用峰值von Mises應力，所以升降室和上下導向結構的強度滿足規范要求。

5 結論

1)升降室與主船體連接位置的4個角點屬于應力集中區域，應結合甲板面積要求和升降室整體抗彎剛度要求進行綜合考慮。

2)吊車直接布置在升降室頂部對結構強度有較大影響。為了減小對吊車所在位置升降室內液壓頂升系統頂升能力的過高要求，設計初期需對風車船滿載狀態的重心進行控制，使得每套頂升系統所承受的整船重量載荷盡量相同。

3)上下導向與樁腿的接觸面積、上下導向結構之間的距離對導向結構的承載能力有很大影響。樁腿橫截面最大彎矩一定的情況下，上下導向距離越大則導向結構承受的載荷越小，需要找到升降室高度、升降室局部強度、樁腿長度等方面的最佳設計平衡點。

4)樁腿與導向接觸時，相互作用力的真實分布情況比較復雜，本文采用了偏于保守的簡化方法，環形導向結構和其背后支撐結構之間所承受壓力的載荷分配還有待進一步研究。

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Strength Assessment for Jack House and Guides Structure of Jack-up WTIV

WANG Yong-gang, LIU Ren-chang, ZHANG Li-jun, LI Lian-liang, WANG Jin-feng, WANG Yong

(COSCO-Shipyard Group Co. Ltd., Dalian Liaoning 116600, China)

Considering that the jack house and guide structures in jack-up wind turbine installation vessel (WTIV) play an important role to connect the legs and hull and transfer the interaction forces between them, it's necessary to verify the yield strength of them. Referring to DNV offshore rules, the FE model of the jack house and guide structures, on which the main crane is mounted, is established in Genie, and stress analysis and assessment of yield strength for goal structure are carried out by working stress design (WSD) method. Some influential factors for structure strength design are extracted.

Jack-up wind turbine installation vessel; jack house; guides; crane foundation; working stress design method; strength assessment

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.001

2015-06-03

工信部高技術船舶科研項目 (工信部聯裝2011536號)

王永剛(1982-)，男，學士，工程師

U674.3

A

1671-7953(2015)06-0001-05

修回日期：2015-06-29

研究方向:船舶與海洋工程結構

E-mail:wangyonggang@cosco-shipyard.com