風電安裝船坐底強度有限元計算

閆方超，郭 婷，關 婕

(1.上海佳豪船海工程研究設計有限公司，上海 201600；2.大連船舶重工集團有限公司， 遼寧 大連 116000)

0 引言

風電安裝船作為一種新型的海上工作船，有效地緩解了海上風機運輸和安裝困難的問題。隨著多國將“綠色能源轉型”設定為未來經濟發展的重點，在建及待建的海上風電項目數量驟然增加，讓海上風電施工船市場一時措手不及。受其影響，具有風電安裝能力的工程船“一船難求”。為了滿足風電市場需求，包括風電安裝、運維等，可以通過改造半潛駁的方式建造風電安裝工程船，不但可以使船舶增加新的功能，提高船舶綜合利用率，同時大大減少建造周期和建造成本，使得經濟效益最大化。

廣義上來講，具有坐底功能的船舶規范存在于海洋工程平臺，所以目前國內船級社對于船舶坐底計算沒有完整的相關規范衡準。為了滿足當前規范要求的情況下使該船具有坐底作業功能，則需得到“★CSA Submersible Offshore wind Turbine”的船級符號，從而需要參照《海上移動平臺入級規范》(2020)對船舶結構坐底強度作直接計算及評估。

本文利用MSC-Patran/Nastran軟件對“鐵建潛01”坐底式風電安裝改裝船建立有限元模型并進行坐底強度計算分析，以滿足目前規范要求。

1 結構改造

1.1 改造內容

本項目改造船為一艘非自航半潛甲板駁。為適應海上風電施工現場的風機安裝需要，擬在本船上新增2臺起重機和1個工作平臺，并對原船進行適當的改造。改造后，本船能滿足近海航區風機起吊安裝作業要求，且仍具有半潛作業的功能。為滿足改裝船的功能，船體結構的主要改造內容如下：

(1)本次改建船主尺度維持不變，船型改為半潛駁船兼起重船船型，屬于船舶重大改建。

(2)在船首部靠左舷舉升甲板以上增設起重能力為6 000 kN的海工吊。該起重機作為本船起吊安裝風機的主起重機。

(3)在船尾右舷尾塔樓頂甲板以上增設起重能力為8 00 kN的海工吊，該起重機將作為本船安裝風機的輔助起重機。

為滿足坐底工況的作業條件，對改裝后的船舶結構進行坐底強度計算校核，從而滿足中國船級社(CCS)《海上移動平臺入級規范》(2020)的相關規范要求。

1.2 坐底作業工況

(1)干坐底工況。作業區域若有顯著的漲退潮現象，在退潮期間，自然水深可下降至0時，導致船舶處于無水坐灘狀態，稱為干坐底工況。

(2)吃水坐底工況。由于海區的海底地質條件，泥面淺層為粉砂成分，極易在水流作用下產生物理遷移，進而導致海底與船底的接觸條件發生改變。具體而言，當水流因船舶的存在產生繞射時，將帶起海底泥沙的流動，產生船舶周界的掏空現象，實質減小了海底對船舶的支撐面積，導致船舶結構構件受力狀態變化，嚴重時可導致船舶構件開裂破壞甚至船體梁斷裂，這種工況稱為吃水坐底工況。結構強度主要是由退潮水及沖刷現象對船體作業安全及結構安全造成的危險影響。

本文對本船坐底作業強度計算的假定如下：

(1)作業區域海底平整，無堅硬的突出物，如巖石等，假設海船為硬地不可壓。

(2)坐底時，海水沖刷導致海床接觸面靠近船舷位置有掏空現象，水流導致船底附近泥沙掏空區域的面積不超過20%。

(3)海底極限掏空區域與非掏空區域的交界線為直線。

(4)海床平面平整，坐底作業時船舶不發生滑移及海床不發生下沉，船體在海床坐底不入；船體無原始縱、橫傾，平坐在海底。

2 有限元計算

2.1 有限元模型

本文采用MSC-Patran/Nastran有限元軟件進行建模分析。三維有限元模型包括了船體各主要構件，如：甲板結構、艙壁結構及縱向、橫向和垂向的桁材結構。計算模型的甲板板、艙壁板、桁材腹板等均模擬為4節點或3節點板單元；普通橫梁、縱骨、桁材面板及撐桿等均模擬為2節點梁單元。整船計算分析模型見圖1。本船為風電安裝而進行的結構改造部分見圖2。

圖1 有限元計算模型

圖2 新增工裝平臺(改裝部分)

2.2 環境載荷

在船舶坐底計算中，要充分考慮船舶自身及環境載荷對船體坐底作業帶來的可能影響。根據經驗，主要考慮作業工況裝載載荷、起重機載荷等主要環境載荷。

不同的裝載工況決定了不同的壓載水布置，從而影響對應作業工況下全船的質量分布。根據裝載狀態，本船坐底工況主要為坐底起重工況，又分為干坐底工況和吃水坐底工況。本文選取典型的起重工況進行校核，即對干坐底起重工況、12 m吃水坐底起重工況和18 m坐底起重工況進行主船體結構強度分析計算。

在本船尾部左舷平臺甲板布置1臺固定尾吊6 000 kN全回轉重型起重機，其示意圖見圖3。根據技術方案要求，本船改造方案主起重機坐底按照3 500 kN設計。根據起重機廠家提供的技術資料，在舉升甲板以上2 m位置的表面負載為：軸向力=17 520 kN，傾覆力矩=224 308 kN·m，回轉力矩=15 585 kN·m，徑向力=838 kN。

圖3 起重機示意圖(單位：mm)

自重載荷包括本船自重、不同計算工況下油水等裝載重量及相關設備重量。12 m吃水坐底工況下船體承受對應水深的靜水壓力載荷云圖見圖4。

圖4 12 m靜水壓力云圖(單位：MPa)

除去主起重機、輔起重機、甲板機械設備等重量外，本次計算需要同時考慮在作業時風機平臺上的質量。風機平臺主要用于存放風機葉片、輪轂、塔筒、機艙部件，這些部件通過質量點模擬施加。

根據《海上移動平臺入級規范》(2020)的相關要求，受到水流沖刷的影響，坐底面積按最不利的情況損失率為20%來計算，包絡艏部及艉部。在本船坐底強度分析中共計算16種船底掏空工況。圖5為艏部區域掏空的5種計算工況示意圖。

根據船底掏空方式，有限元各計算工況邊界條件設置在船底非掏空的坐底區域。

圖5 艏部區域掏空計算工況示意圖

為更加真實模擬海底接觸情況，在坐底接觸面的海床邊界采用垂向線彈簧進行模擬。彈簧剛度值按照以下方法計算：

=

式中：為第幾基床系數，kN/m；為線彈簧模型單位承載面積，m；為安全系數，取1.1～1.2。

在約束區域彈簧上端采用約束節點、方向線位移，下端采用約束節點方向線位移。

另外，考慮到坐底工況一般均為超壓工況，超壓重量位于船體首位塔樓，且對于船中區域坐底工況的假定條件之一是海船為硬地不可壓。為更加接近實際情況模擬，需提高船中區域的約束彈簧剛度。

2.3 計算工況

本船坐底強度分析主要包括3種坐底工況：干坐底起重工況、10 m吃水坐底起重工況、坐底自存工況。每種坐底工況分別涵蓋了8種起重機吊臂角度位置16種船底掏空情況，總共組合出387個有限元計算校核工況(384個掏空情況下子工況，3個非掏空情況下的子工況)。

2.4 強度衡準

參考《海上移動平臺入級規范》(2020)的相關規定，板單元許用應力[]為

[]=/

式中：為板單元應力，MPa；為安全系數，對于板單元，=1.43。

基于上述的載荷加載及約束條件對全船進行強度分析計算，并在滿足上述衡準的要求下對船體結構進行加強。本船原船為普通鋼(MS)，許用應力[]=170 MPa；本船新增改造區域均使用高強度鋼(AH36)，許用應力為[]=248 MPa。

3 計算結果分析

各個工況計算后所有工況的板單元應力的包絡應力值云圖見圖6。

圖6 板單元合成應力分布(單位：MPa)

由于計算工況過多，在后處理時對每個計算工況的計算結果進行了包絡處理，取各個計算工況最大值進行顯示，見表1。

表1 計算結果統計 單位：MPa

根據以上坐底作業工況有限元強度計算分析，得出以下結論：

(1)計算結果顯示：本船3種坐底工況中，干坐底起重工況下結構應力水平相對較高；對于原船普通鋼，最大單元合成應力的典型工況為起重機45°起吊、艏部45°掏空的計算工況，見圖7；對于高強度鋼(AH36)，最大應力工況則出現在起重機35°起吊、船底左舷60°掏空的計算工況下，見圖8；其他吃水坐底工況應力水平接近。對于起重機舷側的掏空工況需要重點關注，屬于高應力計算工況。

圖7 干坐底起重普通鋼危險工況的應力云圖(單位：MPa)

圖8 干坐底起重高強度鋼危險工況的應力云圖(單位：MPa)

(2)坐底作業工況計算中，需要重點考慮船體橫縱艙壁、縱行、船底板等區域的應力水平，尤其是掏空約束附近。

(3)對于坐底掏空區域約束附近區域的加強，需要考慮掏空面積多角度的變化帶來的加強區域的變化，加強區域要覆蓋整個約束附近區域。本次計算因坐底作業對原船進行的改造加強區域示意圖見圖9。

4 結論

(1)通過對本船坐底起重工況進行有限元建模計算，本船坐底作業在本文設定的載荷工況及掏空情況下結構強度滿足《海上移動平臺入級規范》(2020)要求。

(2)為保證船舶的作業安全，在實際坐底過程中，首先要確定海底實際情況，盡量避免海底本身的凹坑等危險海底地形。

圖9 高強度鋼(AH36)的應力云圖(單位：MPa)

(3)在船舶坐底作業時，操作人員必須密切關注作業時船舶結構的應力變化或者變形情況，尤其船底出現掏空海底地形時，重點關注安裝起重機的船體區域。

(4)必要時應采取措施防止船體結構應力超過許用值，包括安裝應力監控系統以監控船體變形等。必要時停止作業，更換作業海域等。