超大型風電安裝船液壓升降系統結構件有限元分析

李毓洲，仇明，張永康，張笛，鄭和輝，薛馳

(1.廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006；2.啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200；3.武漢理工大學 智能交通系統研究中心，武漢 430063;4.招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226116;5 江蘇中天科技股份有限公司,江蘇 南通 226009)

目前8.0 MW級是世界上商業化運行單機功率最大的風機，機艙重量390 t、葉片35 t、葉片長度80 m、塔高140 m、風輪直徑164 m、風輪掃掠面積超過21 000 m2。采用傳統安裝方式在風速14 m/s、浪高4.8 m、水深50 m的深水區安裝8 MW大型風機的難度極大。傳統風機安裝主要采用運輸駁、浮吊、輔助船舶的聯合作業模式，存在以下難以解決問題：①受風浪的影響大，浮吊穩定性差，作業安全性差；②有效作業時間短，不能在極端環境如風大浪高的惡劣環境下作業；③來回運風機的時間長、多艘船協同配合操作復雜，成本高、作業效率低，據統計，一般需要1周多才能完成1臺風機的安裝。因此，在施工過程中就需要專門的風電場工程船或專用的風機安裝船舶(平臺)。不受風浪影響、安全性高、效率高的深水海上超大型風機安裝平臺成為超大型風機深水遠岸安裝的首選[1-3]。

風電場通常建設在風大浪高海域，需要一個安全、穩定的作業平臺，才能高效吊裝作業，多精度協同控制“高”的平臺，主要體現在以下3方面。

1)平臺升降運動精度高，升降系統需將約2 000 t以上的船體快速升舉至海面以上。本文針對風暴自存狀態對樁腿進行動力響應分析。

2)吊裝穩定精度高：起吊重達百噸的零件在高空中安裝，例如，葉片安裝，對吊裝空間定位的穩定性要求高。

3)整體平地建造精度要求高。其中安裝平臺的液壓升降系統至關重要[4-5]，其不僅要保證控制升降精度高，更重要的是要保證有足夠的力學安全性能。

新型連續樁腿液壓升降系統需要液壓升降系統與同步控制技術，水平液壓銷軸插入樁腿上的銷孔，通過主油缸伸縮實現樁腿升降。各銷軸單元交替動作，實現樁腿連續無停頓可靠升降，其與升降系統導向機構配合精度控制在0.5 mm以內，自主研發液壓升降系統為樁腿提供最大4×90 MN預壓載力，可提升船體重量200 MN以上，提升可達速度30 m/h。具備新型連續樁腿液壓升降系統安裝平臺一般由4根樁腿組成,通過4根樁腿的液壓升降系統實現整船的升降功能。圖1為液壓升降系統的單腿結構形式。該液壓升降系統的單腿的結構形式中上部導向及鉸接梁(Yoke)是焊接結構件，結構較為復雜，是主要的承力構件，平臺必須要在設計安裝及制造過程中保證其力學性能以確保平臺的液壓升降系統的安全性，因此需要進行力學計算仿真校驗該結構的力學強度是否滿足要求。本文通過有限元分析的方法對液壓升降系統的單腿結構的上部導向和鉸接梁在風電安裝船或平臺上升、樁腿下降和預壓載工況下進行計算分析，研究結構強度是否滿足材料力學規范要求，以確保液壓升降系統的單腿結構的上部導向和鉸接梁結構的安全性。

圖1 液壓升降系統的單腿結構形式

1 有限元模型的建立

運用ANSYS軟件建立有限元模型，樁腿上部導向及鉸接梁模型見圖2。

圖2 樁腿上部導向及鉸接梁模型

樁腿上部導向的材料為DH36,其屈服極限σs為355 MPa,抗拉強度σb為490～620 MPa，彈性模量E為205 GPa，泊松比ν為0.3，密度為7 850 kg/m3。鉸接梁的材料為EQ56,其屈服極限σs為550 MPa,抗拉強度σb為670～835 MPa，彈性模量E為205 GPa，泊松比ν為0.3，密度為7 850 kg/m3。

2 載荷及受力情況確定

安裝平臺升降工況可分為樁腿下降、平臺上升、平臺壓載、風瀑載荷、平臺下降、拔樁等工況，其中平臺上升工況、預壓載工況和樁腿升降工況為典型工況，其受力情況覆蓋其他工況的受力情況，在本文有限元分析時只分析風電安裝船或平臺上升(按設計額定載荷)、樁腿下降和預壓載工況。以下分上部導向和鉸接梁分別討論。

2.1 上部導向平臺上升工況

平臺上升時由于使用連續升降，在平臺上升時每個樁腿的8個油缸中有6個油缸承受額定載荷、2個油缸處于回縮狀態，如此螺旋式循環上升或下降形成連續升降。上部導向吊耳的受力值見表1。上部導向上升工況受力情況見圖3。

表1 上部導向吊耳的受力值

圖3 上部導向平臺上升工況受力

2.2 上部導向樁腿下降工況

樁腿下降時主要承受樁自重,樁腿自重的計算按照南通中遠船務設計的WIND TURBINE INSTALLIATION VESSEL的樁腿重考慮。由于使用連續升降，在平臺上升時每個樁腿的8個油缸中有6個油缸承受樁腿重量載荷、2個油缸處于回縮狀態，如此螺旋式循環上升或下降形成連續升降。上部導向在樁腿下降工況受力情況見表2，受力圖見圖4。

表2 上部導向吊耳的受力值

圖4 樁腿下降工況受力

2.3 上部導向預壓載工況

風電安裝船預壓載時一般采用斜角2個樁腿動用提升全船的形式進行，液壓升降系統的壓載載荷能力是其額定載荷的2倍即95 000 kN。平臺進行升降調整，每個樁腿由8個油缸同時受力，受力情況見表3，受力圖見圖5。

表3 上部導向吊耳的受力值

圖5 上部導向預壓載工況受力

2.4 鉸接梁的受力情況

由于鉸接梁的受力狀態、受力形式，以及約束情況在風電安裝船或平臺上升、樁腿下降和預壓載工況一致，所以對鉸接梁的有限無分析只要選取以上3種工況中受力最大的工況即預壓載工況進行分析即可。根據南通中遠船務鉸接梁部門的圖紙(CH4750-16000),鉸接梁本體的受力通過1個名為CH4750-16004 Pin和2個名為CH4750-16009 Cylinder Pin來傳遞受力。

鉸接梁總體上受到2個CH4750-140009 Cylinder Pin的F1、F2的支反力及1個CH4750-140004 Pin的支反力F5作用，總體受力見表4，受力圖見圖6。

表4 鉸接梁受力值

圖6 鉸接梁受力

3 結果分析

3.1 上部導向有限元法分析結果

液壓升降系統上部導向部分在風電安裝船或平臺上升、樁腿下降和預壓載工況下的有限元分析結果表明：①平臺上升工況，負荷47 500 kN/腿，最大應力為205.6 MPa,上部導向分的σs=355 MPa,其應力值小于σs；②樁腿下降工況，負荷7 800 kN/腿，最大應力為42.5 MPa,上部導向分的σs=355 MPa,其應力值小于σs；③預壓載工況，負荷95 000 kN/腿，最大應力309.9 MPa,上部導向分的σs=355 MPa,其應力值小于σs。因此,分析結果顯示，設計符合材料和規范要求。

圖7～9為上部導向在平臺上升工況下、樁腿下降工況，以及預壓載工況的應力和變形云圖。從云圖結果分析，本文的設計符合要求，不會由于應力集中而帶來安全問題。

圖7 液壓升降系統上部導向部分平臺上升工況應力和變形云圖

圖8 液壓升降系統上部導向部分樁腿下降工況應力和變形云圖

3.2 液壓升降系統鉸接梁部分有限元分析結果

液壓升降系統鉸接梁部分的有限元分析結果：負荷95 000 kN/腿，最大應力410.7 MPa,上部導向分的σs=550 MPa,其應力值小于σs。分析結果表明，設計符合材料和規范要求。

液壓升降系統鉸接梁部分的應力和變形云圖見圖10。從云圖結果分析，本文的設計符合要求，不會由于應力集中而帶來安全問題。

圖9 液壓升降系統上部導向部分預壓載工況應力和變形云圖

圖10 液壓升降系統上部導向部分預壓載工況應力和變形云圖

4 結論

安裝平臺液壓升降系統的單腿的結構形式的焊接結構件力學安全性能至關重要，必須要進行精確計算以確保其結構安全性。本文利用有限元法對上部導向及鉸接梁在平臺上升工況、預壓載工況和樁腿升降工況下受力情況、最大應力、等效應力圖、總體變形圖及等效彈性變形圖進行分析，結果表明：①平臺上升工況，負荷47 500 kN/腿，最大應力為205.6 MPa,上部導向分的σs=355 MPa,其應力值小于σs；②樁腿下降工況，負荷7 800 kN/腿，最大應力42.5 MPa,上部導向分的σs=355 MPa,其應力值小于σs；③預壓載工況，負荷95 000 kN/腿，最大應力309.9 MPa,上部導向分的σs=355 MPa,其應力值小于σs。因此，通過有限元分析計算，表明設計符合材料和規范要求，不會由于應力集中而帶來安全問題，仿真過程和結果表明該方法的有效性。