自升式風電安裝船樁靴結(jié)構優(yōu)化設計

張 坤，王接班，卞正偉

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

氣候變化是當今人類面臨的重大全球性挑戰(zhàn)。在國家大力發(fā)展低碳綠色經(jīng)濟的背景下，風能是一種清潔可再生的，最成熟的，具備大規(guī)模商業(yè)開發(fā)價值的新型能源。近年來，我國海上風電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，沿海城市相繼出現(xiàn)了海上風電場。相較陸上風電場，海上風電場的施工難度要高很多，風電安裝船作為海上風電的核心裝備，其重要性不言而喻。樁靴作為自升式風電安裝船的重要組成部分，與樁腿相連接。在海上作業(yè)時，樁腿依靠樁靴承受海底對全船的支撐力，將船體升到水面以上，可有效克服漂浮式工程船不穩(wěn)定的特點，為船舶施工提供一個穩(wěn)定的舒適的工作環(huán)境[1-4]。

由于樁靴結(jié)構存在結(jié)構復雜、空間小、工況多等特點，其初步設計方案往往沒有考慮到施工和工藝的要求。基于此，本文對某自升式風電安裝船的樁靴進行設計優(yōu)化，并采用有限元技術對優(yōu)化后結(jié)構的合理性進行驗證。

1 樁靴結(jié)構形式優(yōu)化設計

在初步設計方案中，樁靴內(nèi)部結(jié)構采用實肋板，實肋板可增強整個樁靴的剛度，使樁靴的強度得到保證。然而，由于樁靴邊緣處和樁腿聯(lián)接處的載荷較大，采用實肋板的設計方案在遠離高載荷區(qū)域處存在過度設計的風險。此外，由于樁靴高度較小，需要在實肋板上開人孔以便檢修。初步設計方案的人孔較多，但樁靴內(nèi)部空間狹小。

未解決上述問題，綜合考慮樁靴設計的要點、設計工況和結(jié)構形式，對樁靴結(jié)構進行優(yōu)化設計。由于樁靴靠近中心處結(jié)構密集且結(jié)構尺寸較大，故在樁腿與樁靴連接的高應力區(qū)域仍然采用實肋板，在非高應力區(qū)域則采用T梁進行補強。該優(yōu)化方案在保證樁靴強度的要求下，可有效增加樁靴的內(nèi)部空間，增強了樁靴的通達性。相較于初步設計方案，優(yōu)化方案減少了24個人孔，降低了施工工藝的難度，為樁靴的檢修提供了必要保證。樁靴結(jié)構優(yōu)化前后示意圖見圖1。

圖1 樁靴內(nèi)部結(jié)構優(yōu)化前后示意圖

2 有限元模型

本文采用FEMAP軟件進行有限元分析，使用4節(jié)點板單元對樁靴上板、底板、四周圍板、樁靴內(nèi)的艙壁及T型梁腹板進行模擬；使用2節(jié)點梁單元對加強筋和T型梁面板進行模擬，避免出現(xiàn)細長形單元。樁靴有限元模型見圖2。

圖2 樁靴有限元模型圖

邊界條件有2種設置方法：1）在樁靴外板底強結(jié)構處設置彈簧單元約束，根據(jù)插靴深度設置彈簧單元剛度，將變形控制在合理變形范圍內(nèi)；2）在樁腿接頭處約束x、y、z這3個方向的自由度。2種方法的計算結(jié)果基本相同。

樁靴主要受到來自海底的壓力以及樁腿傳遞的彎矩作用，其設計載荷見表1。

表1 樁靴設計載荷

3 結(jié)構強度評估

3.1 規(guī)范校核

依據(jù)中國船級社（China Classification Society,CCS）《海上移動平臺入級規(guī)范》對樁靴的主要結(jié)構尺寸進行計算，以保證外板和加強筋的強度滿足要求。樁靴外板可參照平面艙壁板進行計算，樁靴內(nèi)T梁可參考平面艙壁扶強材進行計算。此外，根據(jù)規(guī)范要求，構件的外周界板厚應在要求值的基礎上增厚1 mm，樁靴底部應增厚3.5 mm。樁靴頂板和樁靴下底板筋梁規(guī)范校核情況分別見表2和表3。

表2 樁靴頂板規(guī)范校核

表3 樁靴下底板筋梁規(guī)范校核

3.2 強度校核

對最危險組合工況下的結(jié)構強度進行校核。結(jié)構應力云圖見圖3，屈服分析結(jié)果見表4。

表4 屈服分析結(jié)果

圖3 最危險組合工況下結(jié)構應力云圖

由圖3和表4可知：不同工況下高應力點主要出現(xiàn)在樁靴內(nèi)艙壁板與樁腿筒連接處，最大應力為352.8 MPa，強度滿足CCS規(guī)范的要求[5]。典型板格屈曲分析結(jié)果見表5，滿足CCS規(guī)范的要求。

表5 典型板格屈曲分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文對某自升式風電安裝船的樁靴進行了優(yōu)化設計，建立了有限元模型，并根據(jù)相關規(guī)范計算了樁靴在預壓載、偏心和風暴自存工況下的結(jié)構強度。強度校核結(jié)果表明：最大應力出現(xiàn)在樁靴內(nèi)艙壁板與樁腿筒連接處，結(jié)果符合實際情況。優(yōu)化設計后的結(jié)構強度滿足要求且實船運營良好。研究成果可為樁靴結(jié)構優(yōu)化設計提供一定參考。