海上風機整體安裝船起重車架設計與強度分析

吳 超，姚震球，付敬杰，朱麗軍

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

海上風機整體安裝船起重車架設計與強度分析

吳 超，姚震球，付敬杰，朱麗軍

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

海上風機整體式安裝船是一種新型風機運輸安裝工作船，側掛式重型起重車是其實現高效安裝的核心裝備。根據海上風機整體安裝的特點和要求，依據起重機設計規范，設計了風機整體安裝側掛起重小車；分析了最不利工況下起重車所承受的各類載荷及相應計算方法；利用 Ansys 軟件計算了在此工況下車架結構的應力和變形。通過有限元分析驗證側掛式起重小車結構設計的合理性，為類似形式的側掛式起重車結構設計提供借鑒。

風電安裝船；側掛起重小車架；強度分析

0 引 言

海洋風能資源非常豐富，風電技術成熟，是最具備大規模開發潛力和商業利用價值的可再生能源，海上風電已成為新能源發展的亮點［1］。歐洲地區、我國沿海規劃建設的風電場裝機量巨大，且需要大量能安全、高效地完成風機安裝任務的專業安裝船。目前海上風機隨著功率不斷提高，風機外形尺寸和重量也隨之增加，海上風電場風浪較大，作業環境差，需要設計一種既能自行運輸風機又可以實現風機整體安裝的新型、高效的風電安裝船。它與起重船安裝方式相比，自身具備動力和操縱性，可運輸多臺風機，安裝時間短、無需其他配合船舶；與自升式安裝船相比，可實現整體安裝，工序簡單，減少了海上作業時間［2］。

1 起重小車設計

1.1 海上風機整體式安裝船

海上風機整體式安裝船能夠一次性運輸 4 臺 7 MW以下在岸上安裝、測試好的風機，風機裝載與海上安裝可通過船上自帶的起重裝置進行。船上有巨型桁架用于固定和移動風機。在伸出船尾部的 2 道起重梁上設置 2 個起重小車，并在每側起重小車上布置2個主鉤，每個主鉤的額定起重量為 350 t，4個主鉤最大聯合起吊能力為 1 400 t。風機在裝載和安裝時，可通過起重機將風機進行整體起吊，然后進行海上作業。海上風機整體式安裝船有自行運輸能力和整體安裝能力，海上風機安裝時，工作安全、設備可靠、施工方便，省去了配套的工程船舶和運輸船舶，節約了時間和經濟成本，提高了工作效率。圖 1 為海上風機一體化運輸安裝船的布置形式。

圖 1 海上風機一體化運輸安裝船布置簡圖Fig. 1 The arrangement of offshore turbine integral installation vessel

1.2 起重小車方案布置

側掛起重小車運行車輪的布置方案為在小車安裝有 8 個上垂直輪和 4 個下垂直輪。上垂直輪行走于主梁的 2 條車輪軌道上，每個軌道上有 4 個車輪，車輪分別采用平衡架鉸接結構連接在小車架縱梁上；下垂直輪分別安裝在小車架的 4 條安全支腿上［3-4］。圖 2 是側掛起重小車起升機構和運行機構布置簡圖。

圖 2 側掛起重小車起升機構和運行機構布置簡圖Fig. 2 The arrangement of lifting and moving mechanism of sidesuspended trolley

1.3 側掛起重小車架結構形式

側掛起重小車架，要求具有足夠的強度和剛度，同時還要輕量化，制造安裝方便。車架是支承和安裝起升機構與運行機構各部件的機架，同時又是承受和傳遞全部起重載荷的結構件。根據小車輪和起升機構的布置，橫向設置 8 根橫梁，橫梁間距為 1 m；縱向設置 10 根縱梁，縱梁在起升定滑輪處的間距為 0.5 m，在 2 個縱向垂直輪間的間距為 0.7 m。縱梁主要支承在車輪的軸承上，橫梁和縱梁通過上、下蓋板焊接成一剛性構架整體，四支腿連接在下蓋板上，防止小車在工作時發生傾翻［5-6］。圖 3 是側掛起重小車架結構圖。

圖 3 側掛起重小車架結構圖Fig. 3 The structure of side-suspended trolley

2 車架有限元模型的建立及網格劃分

側掛起重車行駛的方向定義為 x 軸方向即船長方向，船寬方向定義為 y 方向，吊重的起升方向定義為 z方向即豎直方向。

側掛起重小車架所采用的材料是 Q 390 鋼材，為線性彈性材料。其具體參數如表 1 所示。

表 1 計算參數Tab. 1 Parameters of material

小車架的縱、橫梁及上、下蓋板都是焊接，且受到復雜的平面力和彎矩及剪力等的綜合作用，故在Ansys 中選擇由 4 個節點組成，每個節點具有 x，y，z位移自由度和 x，y，z 旋轉方向自由度，共 6 個自由度的 Shell 181 單元。該單元具有彎曲和膜特征，可以承受面載荷和法向載荷，同時具備應力剛化和大變形功能，可以較真實的反應上小車車架結構的實際承載狀況。網格單元大小取 0.1 m。為了得到較為準確的計算結果，網格劃分盡量保持規則的四邊形，在結構主要應力區域避免出現三角形單元。整個模型劃分的單元數為 41 841 個，節點數為 38 900 個，劃分網格后的模型如圖 4 所示。

3 載荷及約束條件的施加

3.1 載荷的確定

該海上風機起重機在露天使用，承受風載，根據規范要求，對本文的起重車分析常規類載荷，并考慮風載及傾翻水平力對側掛起重小車的影響。由于起重小車在工作時，船舶橫傾不超過 5°，縱傾不超過 2°，工作角度始終保持在規范規定的數值內，故在計算小車架時不考慮船舶傾斜載荷對起重小車架的影響。根據分析，本小車的最不利工況的載荷組合情況為：起重小車帶有額定起升載荷在主梁上行走，并受到風載荷及傾翻水平力的作用。該工況下小車架受的外載荷分為以下6部分［4］：

1）自重載荷 PG

自重載荷包括小車架金屬結構自重、及其上的機構自重、電器設備。起升質量突然離地起升或下降制動時，自重載荷將產生沿其加速度相反方向的沖擊作用。在考慮到因結構振動而產生的動力響應時，應將自重載荷乘以起升沖擊系數取

2）起升載荷 PQ

起升載荷是指起升質量的重力。當風機無約束地起升離開地面時，風機的慣性力將會使起升載荷出現動載增大的作用，所以應考慮到起升動力效應，因此起升載荷應乘以起升動載系數由于本文起重機的起升速度小，故側掛小車的起升狀態為 HC1級，即起升離地時平穩，取

起升載荷可分為 2 部分：一部分作用在起升卷筒上，另一部分則是通過定滑輪組作用在定滑輪組支承板上。由卷筒承受的起升載荷通過減速器及另一端的支承以均布載荷的形式，作用在小車架上。而作用在定滑輪組處的起升載荷按均布力處理，均布作用在圓孔的下半部分，分布力方向沿半徑方向，其值可按下式計算：

3）運行產生的沖擊載荷

側掛起重小車在運行時由于軌道接頭間隙或高低差會使運動的質量在鉛垂方向產生沖擊效應，即為運行沖擊載荷。其值可用運行沖擊系數乘以自重載荷PG和起升載荷 PQ計算得到。由于本小車的軌道連接形式為焊接，并且對接頭處進行打磨光滑，狀態良好，故取

4）水平慣性載荷

由于小車運行起、制動時產生一定的加速度，水平慣性力將作用在側掛起重小車車體上，方向與小車運行的水平方向相反。本文中起動時的平均加速度取為 0.0125 m/s2，考慮小車驅動力突變時結構的動載荷效應，施加載荷時，該加速度放大倍。由于該小車起動時的加速度大于正常制動情況下的加速度，因此只考慮起動水平慣性載荷，其值為：

式中：mG為側掛起重小車的總質量；m2為總起升質量； a為運行起動時的平均加速度；為動力效應系數，取

5）風載荷 PW

對于露天工作的起重機應考慮風載荷的作用，工作狀態風載荷是起重機在正常工作情況下所能承受的最大計算風力。在計算起重機風載荷時，應考慮風對起重機是沿著最不利的方向作用的。風載荷按下式計算：

式中：PW為作用在起重機上的工作狀態最大風載荷；C為風力系數，取 C=1.4；Kh為起重機的工作狀態計算風壓不考慮高度變化，即 Kh=1； p為工作狀態計算風壓，取 p=250 N/m2； A為起重小車垂直于風向的迎風面積。

6）傾翻水平力 PSL

側掛小車在水平移動的過程中，會受到來自水平方向的阻礙與限制，此時將產生一個引起小車傾覆的作用力即傾翻水平力 PSL。根據剛性吊重下端受阻后使小車一側抬起的狀態，按式（4）計算：

式中：PG為側掛起重小車的自重載荷；PQ為額定起升載荷； K為小車重心至軌道中心的距離；h 為水平力PSL作用線至軌道頂部的鉛垂距離。

3.2 約束條件的施加

約束施加的正確與否是小車架結構分析計算成敗的關鍵。為了保證小車架不出現剛體運動，施加的約束應足夠大，但是不能有過約束。小車的 8 個上垂直運行輪和 4 個下垂直運行輪上各裝有 2 個調心滾子軸承，文中每個運行輪都用 2 塊厚板來代替，并在厚板上開孔作為軸承孔［7］。假設運行輪軸的剛度很大，厚板位于軸孔處節點的徑向位移受到約束，運行輪軸只能自由轉動，受鋼軌及輪軌的摩擦力的約束，車輪只沿鋼軌方向運動，有限元模型上在軸孔處節點的軸向位移受到約束，位移為 0。該條件能保證上下垂直輪都能在運動時只沿著各自的軌道運行［8］。側掛起重小車架的載荷與約束圖如圖 5 所示。

4 計算結果分析

圖 5 側掛起重小車架載荷與約束圖Fig. 5 The load and constraint diagram of side-suspended trolley

圖 6 側掛起重小車架等效應力云圖Fig. 6 Von mises stress cloud of side-suspended trolley

圖 7 側掛起重小車架位移云圖Fig. 7 The displacement chart of side-suspended trolley

圖 8 車輪安裝板處等效應力云圖Fig. 8 Von mises stress cloud of wheel plate

圖 6 為側掛起重車架結構的等效應力云圖，圖 7為側掛起重車架結構的位移云圖；圖 8 為車架車輪安裝板與下蓋板連接部位的等效應力云圖；圖 9 為車架下支腿處等效應力云圖；圖 10 為車架起升定滑輪處等效應力云圖。

圖 9 小車架下支腿處等效應力云圖Fig. 9 Von mises stress cloud of suspended leg

圖 10 小車架起升定滑輪處等效應力云圖Fig. 10 Von mises stress cloud of fixed pulley

小車架最大應力產生在上垂直輪安裝處，最大應力為 274 MPa。該部位的作用是支承小車架重量及起升重量，并且使小車在軌道上安全運行，所以小車輪安裝處的局部應力較為集中。結構變形較大部位在小車架前端定滑輪起升處以及下支腿垂直車輪的安裝部位。由圖 7 可知，小車架最大變形位于小車架最前端定滑輪起升附近處，變形值為 3.729 mm，此處為小車架結構懸臂端，無支承結構，且起吊定滑輪安裝于此，受起升載荷作用最大。

根據起重機設計規范，側掛起重小車在極端工況下的最大應力應不大于許用應力，并且為了留有一定的余度，采用折減系數 n，n 取 1.34。Q 390 鋼許用應力結構的最大應力為 274 MPa ＜ 291 MPa，因此小車架強度滿足要求，設計相對合理。

5 結 語

本文以海上風機側掛起重小車架為研究對象，首先根據側掛起重小車承重情況以及小車架上起升機構和運行機構的布置情況，設計出小車架的結構。然后再根據小車的工作形式，確定出小車工作時的最危險工況。通過對最危險工況進行分析，得出小車在最不利工況下的載荷組合情況和計算方法。最后應用有限元分析軟件 Ansys 對小車架結構進行力學強度分析，得出如下結論：

1）小車架是為了保證安裝于其上的機構正常工作，它的設計主要受剛度條件控制，應力水平為非控制性因素，因此在滿足剛度條件的情況下，其結構產生的應力只要不超過許用應力，就滿足剛度要求。

2）按照起重機設計規范，側掛起重小車架結構變形最大的部位為定滑輪組支承板附近，其豎向變形為fmax=3.729 mm ≤ L/800=10.875 mm，故小車架的變形量在結構的許用范圍內，滿足剛度要求。

3）設計的側掛起重小車其結構滿足強度和剛度條件，無論是從應力變化還是從位移變化上看，其值都在許用范圍之內。且一些關鍵受力部位應力和變形極限的差值并不大，可見該小車架的結構設計安全，較為合理，這為以后類似小車架結構的設計提供了一種新方法。

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Design and analysis to truss frame of offshore turbine integral installation vessel

WU Chao， YAO Zhen-qiu， FU Jing-jie， ZHU Li-jun
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003China）

The integral installation vessel for offshore turbine is a new type of transportation and installation vessels. In order to make efficient installationthe side-suspended trolley plays an important role. First of allaccording to the characteristics and requirements of integral installation of offshore turbineconsidered design rules for cranesthe sidesuspended trolley for integral installation of offshore turbine is designed. Then all types of loads under extreme conditions and the corresponding calculation method are analyzed. At laststress and deformation under the extreme conditions of trolley structure is calculated based on Ansys. Through FEM analysisrationality of the side-suspended trolley structure is verified，which provides a reference for the structural design of seminar side-suspended trolley.

wind power installation vessel；frame to the side-suspended trolley；strength analysis

U664.4

A

1672 – 7619（2016）04 – 0061 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.013

2015 – 11 – 11；

2015 – 12 – 04

科技部863計劃資助項目（2013AA050602）

吳超（1988 – ），男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋結構物強度。