桁架平臺的連續(xù)與間斷對船體總縱強度的影響

邵 宇，陸 萍，宋子江

（1.上海佳豪船海工程研究設(shè)計有限公司，上海 201612；2.江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇南通 226010）

0 引 言

為響應(yīng)國家最新的能源政策，達到“2030 年實現(xiàn)碳達峰，2060 年實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，近幾年國內(nèi)開始大力優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)。中國作為一個擁有廣袤海岸線的國家，大力發(fā)展海上風(fēng)電項目是能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的主要方向之一。但是，大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電面臨的最大問題是嚴(yán)重缺乏風(fēng)電安裝作業(yè)所需的載體。鑒于新建風(fēng)電安裝船或平臺的周期較長，無法迅速投入海上風(fēng)電項目市場，為舊的駁船或半潛駁船加裝桁架平臺，將其改裝為可運載風(fēng)電構(gòu)件并可通過坐底開展風(fēng)電安裝作業(yè)的載體，成為一種可行的方法。

目前在舊船上安裝桁架平臺主要有2 種形式：一種是桁架平臺前后整體性連續(xù)，完全參與全船的總縱強度；另一種是桁架平臺選擇性間斷，分為幾個獨立的平臺安裝在主船體上，盡量避免桁架平臺參與全船總縱強度。鑒于甲板上的桁架平臺結(jié)構(gòu)無法像常規(guī)船體一樣通過對船體梁剖面的特性進行分析判斷全船總縱強度對其產(chǎn)生的影響，也無法通過在艙段模型兩端施加相應(yīng)位置彎矩判斷全船總縱強度對其產(chǎn)生的影響，考慮進行全船有限元計算，這是目前較為接近實際的判斷方法。

本文在相同載荷條件下將在船上加裝的桁架平臺分為整體連續(xù)，以及均勻間斷為3 個、5 個和9 個獨立平臺等4 種形式，并進行全船有限元計算，對比這4 種桁架平臺結(jié)構(gòu)設(shè)置形式對船體總縱強度的影響。

1 計算模型主尺度及構(gòu)件布置

計算模型主尺度：船長L=140.00 m；船寬B=36.58 m；型深D=7.62 m；吃水d=3.8 m。

全船為縱骨架式結(jié)構(gòu)，船體縱向艙壁間距為9. 00 m，橫向強構(gòu)件間距為2. 50 m，橫向艙壁間距為15.00 m。縱骨/扶強材間距為0.75 m。桁架平臺縱向桁架間距為4.50 m，橫向桁架間距為2.50 m。由于桁架平臺需進行吊裝作業(yè)和運載風(fēng)電設(shè)備，會受到較大的垂向載荷并向船體傳遞，因此在設(shè)計桁架平臺時，其與主船體的連接處均需為船體的橫艙壁或強框架。

2 計算模型單元類型/邊界條件及載荷

2.1 有限元模型

三維有限元模型包括主船體各主要構(gòu)件，如甲板結(jié)構(gòu)、艙壁結(jié)構(gòu)，以及縱向、橫向和垂向的桁材/桁架結(jié)構(gòu)等。計算模型中的甲板板、艙壁板和桁材腹板等均模擬為4 節(jié)點或3 節(jié)點板單元；普通橫梁、縱骨、桁材面板和桁架等均模擬為2 節(jié)點梁單元；有限元單元網(wǎng)格大小取約750 mm。

2.2 計算載荷和載荷施加

在進行全船有限元計算時，計算模型中施加的載荷如下：

1）空船重量，將模型中構(gòu)件的自重作為載荷施加；

2）艙內(nèi)壓載和甲板貨物的質(zhì)量，通過質(zhì)量點的形式模擬；

3）舷外靜水壓力，按舷外吃水以面壓力的形式施加在船體外部濕表面上；

4）波浪載荷，將水動力軟件預(yù)報的波浪載荷以面壓力的形式施加在船體外部濕表面上；

5）慣性載荷，通過調(diào)整慣性加速度使整船質(zhì)量模型與船舶靜水浮態(tài)相匹配。

2.3 模型邊界條件

為消除剛體位移，在艉部船底平板龍骨中縱處選取1 個節(jié)點約束橫向線位移，即δy=0；在艏部平板龍骨中縱處選取1 個節(jié)點約束縱向、橫向和垂向線位移，即δx=δy=δz=0；在艉封板水平桁位置選取與中縱剖面距離相等的左右各1 個節(jié)點約束垂向位移，即δz=0。

3 有限元計算結(jié)果及分析

通過全船有限元計算，模擬桁架平臺在整體連續(xù)，以及分別均勻間斷為3 個、5 個和9 個獨立平臺形式時，主要構(gòu)件上總縱應(yīng)力的分布情況（見表1、圖1、圖2、表2、圖3 ～圖5）和船體變形情況（見表3、圖6 和圖7），并分析它們之間的差異。

圖1 桁架平臺連續(xù)、中拱狀態(tài)下的船體主甲板相當(dāng)應(yīng)力分布云圖

圖2 設(shè)置3個獨立桁架平臺、中拱狀態(tài)下的船體主甲板相當(dāng)應(yīng)力分布云圖

圖3 桁架平臺連續(xù)、中拱狀態(tài)下的桁架結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力分布云圖

圖4 設(shè)置3個獨立桁架平臺、中拱狀態(tài)下的桁架結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力分布云圖

圖5 設(shè)置5個獨立桁架平臺、中拱狀態(tài)下的桁架結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力分布云圖

圖6 桁架平臺連續(xù)、中拱狀態(tài)下的船體變形云圖

圖7 設(shè)置3個獨立桁架平臺、中拱狀態(tài)下的船體中拱變形云圖

表2 各種連接形式下桁架結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力對比 單位：MPa

表1 各種連接形式下主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力對比 單位：MPa

在此，選取距離船中0.6L 范圍內(nèi)的典型結(jié)構(gòu)進行比較，選取的位置分別為船底板、船底縱向骨架結(jié)構(gòu)、船體縱向艙壁、船體主甲板、船體主甲板縱向骨架結(jié)構(gòu)、桁架平臺甲板、桁架平臺甲板縱向骨架結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)。

由表1 和表2 可知，在全船總縱強度有限元計算中，對于船體主要縱向結(jié)構(gòu)，板單元的相當(dāng)應(yīng)力數(shù)值與縱向的應(yīng)力數(shù)值相似，梁單元的合成應(yīng)力數(shù)值與軸向的應(yīng)力數(shù)值相似，說明計算結(jié)果能合理地反映船體總縱強度對主要結(jié)構(gòu)的影響。

1）連續(xù)性桁架平臺的設(shè)置可有效減小船體梁的總縱應(yīng)力。

由表1 可知，當(dāng)桁架平臺整體連續(xù)時，船體主要縱向構(gòu)件的相當(dāng)應(yīng)力和縱向應(yīng)力均遠小于桁架平臺間斷時的應(yīng)力計算結(jié)果，主船體船底板和主甲板的最大相當(dāng)應(yīng)力甚至能比桁架平臺間斷時減小75% ～80%。由此可見，一個整體連續(xù)的桁架平臺完整地參與船體總縱強度之后，可有效改善船體本身的總縱強度。

2）少量獨立桁架平臺的設(shè)置并不能改善桁架結(jié)構(gòu)的強度。

當(dāng)將桁架平臺分為3 個獨立平臺時，盡管初衷是避免桁架平臺參與船體總縱強度，但因單個平臺的長度較長，各獨立平臺還是會很大程度地參與船體總縱強度，尤其是距離船中0.4L 長度范圍內(nèi)的獨立平臺受船體總縱應(yīng)力的影響最大。同時，縱向應(yīng)力主要通過縱向桁架結(jié)構(gòu)傳遞，并在平臺邊緣終止。獨立平臺沒有足夠長的縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)分擔(dān)軸向（縱向）應(yīng)力。從表2 中可看出，將桁架平臺分為3 獨立平臺之后，縱向桁架結(jié)構(gòu)的最大合成應(yīng)力和軸向應(yīng)力甚至大于整體連續(xù)性平臺完整參與船體總縱強度時的相關(guān)應(yīng)力，增大約27%。但是，當(dāng)將桁架平臺分為更多獨立平臺之后，船體總縱應(yīng)力對各獨立平臺的影響會越來越小，縱向桁架縱向應(yīng)力隨獨立平臺數(shù)量的增加開始逐步減小，小于整體連續(xù)性平臺完整參與船體總縱強度時的應(yīng)力。

由表3 可知，連續(xù)型桁架平臺能改善船體撓度。當(dāng)連續(xù)型桁架平臺完全參與船體總縱強度時，船體梁中拱和中垂的變形值僅為將桁架平臺分為3 個獨立平臺布置時船體梁變形值的20%。隨著將桁架平臺分為更多獨立平臺，船體梁變形最大值不斷增大。

表3 各種連接形式下甲板底板和桁架結(jié)構(gòu)最大撓度對比 單位：mm

4 結(jié) 語

鑒于實際工程中將桁架平臺分為過多的獨立平臺布置并不符合風(fēng)電設(shè)備的安裝環(huán)境要求，且當(dāng)獨立平臺過多時，相互間缺乏連接會對桁架平臺本身的穩(wěn)定性有很大的削弱影響，因此目前市場上的船體改裝平臺形式基本上仍以整體連續(xù)平臺形式和3 個獨立平臺形式為主。在這2 種形式中，整體連續(xù)平臺布置對船體和平臺本身的總縱強度有更好的加強作用，更適合此類船型進行風(fēng)電安裝作業(yè)。