自升式風車安裝船樁靴強度評估

李連亮，劉仁昌，張利軍，王永剛，何佳琦，汪 勇

（中遠船務工程集團有限公司，遼寧大連 116600）

自升式風車安裝船樁靴強度評估

李連亮，劉仁昌，張利軍，王永剛，何佳琦，汪 勇

（中遠船務工程集團有限公司，遼寧大連 116600）

簡要介紹近海風車安裝船的功能和特點。選取風車安裝船自存、作業、預壓載等典型設計工況，結合裝載工況、入泥深度、樁腿基礎處的邊界條件等因素，參考挪威船級社規范的推薦方法，應用SESAM軟件建立有限元模型對樁靴結構強度進行評估。

風車安裝船；自存；作業；預壓載；樁靴；強度評估

0 引言

近海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、起重船起重等多船功能變為一船獨立完成。最新一代風車安裝船配有先進的動力定位系統和自動控制系統，操作靈活，自動化程度高。

中遠船務承接了工信部項目近海風電設備安裝船的研制，該船采用自升式結構物設計，配有起重能力為900t的大型吊機，選用圓筒形樁腿和插銷式液壓頂升、上下導向裝置相配合，來實現主船體的提升和樁腿的收回等操作，樁靴與圓筒形樁腿互為一體，形成一個完整的結構，在樁腿底部一定高度、處設水密艙壁，使部分樁腿與樁靴形成水密艙，在移航過程中為主船體提供一部分浮力。

該風車安裝船的設計工況包括自航工況、從漂浮狀態到站立狀態的安裝工況、風車安裝作業工況、風暴自存工況以及從站立狀態到漂浮狀態的回復工況等［1，2］。對于樁靴的強度評估，首先校核預壓載工況，此工況為預先施加垂直荷載，使得樁靴對地壓力預先達到設計預壓值，然后恢復正常載荷的過程［3］，屬于安裝工況必不可少的一部分。其次，要校核風暴自存工況，這個工況是指極端環境條件下，風車安裝船不能繼續作業，但可通過調整可變載荷或放棄部分載荷以及其他措施以達到較為安全的狀態。再次，校核作業工況，作業工況系指在規定的環境條件下，滿載并升到預定標高進行風車安裝時的狀態。本文針對上面提到的這三個重要設計工況，應用SESAM/GeinE軟件建立有限元模型對樁靴進行強度評估。

1 風車安裝船主參數

總長：133.1m；

型寬：39.2m；

型深：9.8m；

設計吃水：5.6m；

樁腿長度：81.0m；

樁靴長×寬×高：13.6m×8.1m×3.9m。

2 主要載荷和分析方法

2.1 主要載荷

樁靴的受力由樁腿傳遞，因此需要計算樁腿在最不利情況下的最大受力，載荷包括風車安裝船的自身重力載荷和環境載荷。其中環境載荷主要包括波浪載荷、海流載荷、風載荷、動態放大對慣性載荷的放大效應、P-Δ效應等。如圖1所示。

圖1 主要載荷示意側視圖

2.2 分析方法

根據挪威船級社規范［1］推薦方法，對于樁靴和下部樁腿的強度校核應滿足下面三條要求：

1）海底可能存在的沖刷和不平整的海底條件導致樁靴底部受力不均勻，產生偏心彎矩。因此假設設計載荷平均分布在50%的底部面積上，以矩形樁靴為例，見圖2。

偏心彎矩可用下式得到：

式中：Med為設計偏心彎矩；Fvd考慮了功能和環境傾覆載荷的沿樁腿軸向的最大設計載荷；Rn為偏心力臂，即樁靴一半投影面積的重心到圖示 n-n軸的垂直距離；樁靴的投影面積A0可用下式得到：

圖2 矩形樁靴偏心載荷示意

2）假設樁腿基礎處的邊界條件為鉸支。樁靴及樁靴與樁腿連接處的強度校核應組合樁靴底部最大垂向支反力和對應的土壤對樁靴的水平作用力，同時考慮35%的下導向位置處樁腿橫截面的最大計算彎矩（主要考慮海水沖刷與海底不平整情況導致的樁靴與泥土之間可能存在的彎矩作用），施加在最不利的方向上。

3）假設樁腿基礎處的邊界條件為固支，需要考慮下面兩種情況：

（1）樁靴底部最大垂向支反力，連同對應的土壤對樁靴的水平支反力和樁靴土壤相互作用的彎矩，組合后施加在最不利方向上；

（2）土壤對樁靴的最大彎矩作用，連同對應的土壤對樁靴的垂直、水平支反力，組合后施加在最不利方向上。

2.3 計算工況

樁靴及樁靴與樁腿連接處的強度是基于挪威船級社工作應力法來校核，本文評估了預壓載工況、自存工況和作業工況在不同裝工況下的強度，在表1中標有“X”符號。

表1 設計和裝載工況

挪威船級社對于不同裝載工況的定義如表2所示。而風車安裝船在不同的區域作業，海底地基土質會顯著不同，樁靴入泥深度假定為兩種情況：深插深與淺插深。綜合設計工況、裝載工況、深淺插深、樁腿基礎處的邊界條件等因素，將計算工況細分如表3、表4和表5所示。

表2 挪威船級社對于不同裝載工況的定義

表3 預壓載工況

表4 自存工況

表5 作業工況

3 結構有限元模型

3.1 有限元模型

樁靴的有限元模型主要由殼單元和梁單元組合而成，見圖 3。其中，樁腿結構的外板、樁靴的外板、樁靴的錐點、水密平臺、徑向艙壁、所有肋板、T型材腹板和樁腿延伸樁靴內部部分的大肘板主要采用四節點殼單元，加強筋和和T型材面板采用2節點梁單元模擬，樁靴的整體網格單元尺寸為100mm×100mm，11m處水密平臺及其上下部分樁腿外板網格單元尺寸為100mm×100mm，樁腿其他部分的網格單元尺寸為200mm×200mm。

圖3 有限元模型及邊界條件

3.2 邊界條件

風車安裝船在各個設計工況下，依靠樁腿樁靴入泥段在地基土中受到的約束力來支撐，不考慮樁靴穿刺和泥土倒流的影響，為了降低邊界效應，取錐點以上16.5m處進行固支約束，見圖3。

4 強度分析和評估結果

4.1 屈服強度

樁靴及樁靴與樁腿連接處的屈服強度評估基于工作應力法，通過比較結構構件在不同裝載工況下計算的最大Von Mises應力與材料的屈服極限與最大許用利用系數的乘積，即：

式中，σeqv為計算得到的Von Mises應力；fy為材料的屈服極限；ηp為最大許用利用系數。可由下式計算得到：

式中，η0為基本利用系數，見表6；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。

該船樁腿樁靴結構采用了五種材料，不考慮應力集中的情況下，許用應力標準見表7。

表6 基本利用系數

表7 材料級別和許用應力標準（Mpa）

4.2 計算結果

對表4和表5中裝載工況a的計算工況分析結果進行搜索后得到各個位置處最大的Von Mises應力結果，請見圖4（a）。

圖4 裝載工況a和b的Von Mises應力結果

從圖4（a）的結果可以看出Von Mises應力都低于NV36材料的許用應力，滿足規范的屈服強度標準，其他更高屈服強度的鋼材亦滿足要求。

搜索表4、表5和表6中所有裝載工況b的計算工況的分析結果，見圖4（b），結果圖4所示大部分結構滿足規范的屈服強度標準。只有樁靴與樁腿連接處局部由于在偏心情況下受到較大的偏心彎矩，導致局部應力集中，依據挪威船級社海工規范［4］，需要進一步用局部詳細應力法評估，首先按照表8選擇ηpeak。

表8 細網格分析許用峰值利用系數（ηpeak）

樁靴與樁腿連接處網格為100mm×100mm，所以ηpeak按照表8取1.48，得到相應材料的許用峰值應力，見表9。

表9 最大許用峰值應力（Mpa）

結果如圖4和圖5所示，最大Von Mises應力均小于許用峰值應力，因此樁靴結構強度滿足的規范要求。

5 結論

本文基于挪威船級社規范工作應力法的要求，結合典型設計工況下的裝載工況、入泥深度、樁腿基礎邊界條件等因素，分別確定了預壓載、風暴自存、作業等設計條件下需要進行校核的相關危險工況，計算得到了各工況下的Von Mises應力，完成了樁靴及樁靴與樁腿連接處的強度評估，結果滿足挪威船級社的要求，得到如下結論：

1）從分析結果來看，樁靴與樁腿連接處由于較大的偏心彎矩產生應力集中，采用四周對稱性更好的樁靴設計能夠減小偏心彎矩的影響，降低連接處的應力，需要在設計初期重點考慮；

2）對于長方形樁靴結構設計，樁腿距離較近的方向是環境載荷引起的樁靴垂向受力最大的方向，考慮偏心影響，結構設計時樁靴的短邊更適合與樁腿距離更近的方向保持一致。

［1］ DNV. OS-C201， Structural design of offshore units （WSD method）［S］. DNV， October 2014.

［2］ ABS. Mobile offshore drilling units， Part 3 Hull construction and equipment［S］. ABS， 2012.

［3］ 孫東昌， 潘斌. 海洋自升式移動平臺設計與研究［M］.上海： 上海交通大學出版社， 2007.

［4］ DNV. OS-C102. Structural design of offshore ships［S］. DNV， October 2011.

Strength Assessment for Spud Can of Jack-up WTIV

Li Lian-liang， Liu Ren-chang， Zhang Li-jun， Wang Yong-gang， He Jia-qi， Wang Yong
（COSCO Shipyard Group Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116600 China）

The paper briefly introduces the function and feature of wind turbine installation vessel. The typical design conditions of survival， operation and preload are selected， combining with boundary conditions of loading condition，penetration depth and leg foundation. Referring to the recommended method of Det Norske Veritas rules， the SESAM software is used to establish the finite element model for the strength assessment of the spud can structure.

wind turbine installation vessel （WTIV）； survival； operation； preload； spud can； strength assessment

U674.38

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.011

工信部高技術船舶科研項目（工信部聯裝2011536號）。

李連亮（1982—），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構。