1、王小松等，風(fēng)電安裝平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析風(fēng)電安裝平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析王小松1，劉敬喜2，薛鴻祥1（1上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430074）摘 要：介紹了風(fēng)電安裝船的工作流程。依據(jù)線性微幅波理論及莫里森公式，采用水動(dòng)力方法確定設(shè)計(jì)波參數(shù)，對(duì)升降工況、作業(yè)工況、自存工況等載況下的波浪載荷進(jìn)行了預(yù)報(bào)，得到了四個(gè)樁腿上的波浪流誘導(dǎo)載荷1,2。在此基礎(chǔ)上建立結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對(duì)整船結(jié)構(gòu)在各個(gè)計(jì)算工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，列出了主要結(jié)構(gòu)部位在不同工況下的最大應(yīng)力，提出了總體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，可為今后風(fēng)電安裝作

2、業(yè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：自升平臺(tái)；總體強(qiáng)度；有限元方法中圖分類號(hào)：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2015.Z.005Global Strength Analysis of Wind Turbine Installation PlatformWANG Xiao-song1, LIU Jing-xi2, XUE Hong-xiang1(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200

3、240, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)Abstract: Introduce the working process of an offshore turbine installation platform. The wave induced load in legs was obtained by means of hydro dynamic calculation

4、 According to linear wave theory and Morison formula, 3 wave load predictions were done for pre-pressure condition、self-survival condition and working condition. At the same time, three dimensional FE model was built to accessed the global strength, then compared the max von mises stress of differen

5、t members in different loading conditions, some key point which control the global strength and structure design are list, such conclusions could be as references to the structure design of wind turbine installation platform in the future. Key words: Jack-up platform; global strength; FEM 7 0 引言風(fēng)能是一

6、種清潔能源，隨著全球綠色及可再生能源潮流的興起，世界各國(guó)都已將發(fā)展海上風(fēng)電作為新能源開發(fā)的重要方向。目前我國(guó)的海上風(fēng)電開發(fā)處于起步階段，根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止至2013年底，我國(guó)海上風(fēng)電建成裝機(jī)容量42.86萬千瓦，僅占全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康募s0.5%，其中近海項(xiàng)目12.81萬千瓦，海上風(fēng)電發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)家規(guī)劃。近期，隨著發(fā)改委關(guān)于海上風(fēng)電電價(jià)政策文件的下發(fā)以及2014-2016全國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案等文件的先后公布，在國(guó)家政策的大力扶持下，各家企業(yè)海上風(fēng)電開發(fā)布局明顯加快。本文的目標(biāo)平臺(tái)是一座無自航能力的自升式平臺(tái)，設(shè)計(jì)作業(yè)海域?yàn)橹袊?guó)東海風(fēng)電場(chǎng)，作業(yè)水深25m；平臺(tái)樁腿為插銷式圓柱

7、形結(jié)構(gòu)；甲板承載能力為12t/m2，同時(shí)運(yùn)送兩套風(fēng)機(jī)設(shè)備，甲板上主吊機(jī)的最大起吊能力為700t，附吊機(jī)為120t，艏部打樁架自重70t。由于作業(yè)時(shí)船體承受的載荷大，故總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析成為保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全的首要任務(wù)3-5。本文基于線性微幅波理論以及莫里森公式，通過水動(dòng)力軟件對(duì)風(fēng)電安裝平臺(tái)四個(gè)樁腿上的波浪流誘導(dǎo)載荷進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算分析。1 波浪與海流載荷計(jì)算理論1.1 微幅波波浪在初始設(shè)計(jì)階段，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物的波浪計(jì)算通常采用線性微幅波，波浪速度勢(shì)為：收稿日期：2014-11-25；修回日期：2015-5-21作者簡(jiǎn)介：王小松（1981-），男，碩士研究生。主

8、要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。 （1）式中：d為水深，m；H為波高，m；k=2/L，為波數(shù)；，為波頻；t為時(shí)刻，s；g為重力加速，m/s2；z為海底以上高度，m。則波浪水質(zhì)點(diǎn)水平方向的速度ux和加速度ax為： （2） （3）1.2 海流流速海流流速隨著水深變化為： （4）式中：Vz為海底以上高度為z處的流速，m/s；V0為海面流速，m/s；d為水深，m。1.3 波浪和海流力的計(jì)算由文獻(xiàn)6可知，當(dāng)D/L<=0.2時(shí)，為小尺度構(gòu)件，其中D為樁柱的直徑，L為波長(zhǎng)。對(duì)于小尺度構(gòu)件單位長(zhǎng)度上的波浪力和海流力，可用莫里森（Morison）公式計(jì)算拖曳力和慣性力后，再按照同相位合成。作用于

9、直立柱體任意高度z處單位柱高上的水平波力為： （5）式中：ux和dux/dt分別為柱體中心位置任意高度z處波浪水質(zhì)點(diǎn)的水平速度和水平加速度，m/s2；A為單位柱高垂直于波向的投影面積，m2；V0為單位柱高的排水體積，m3；為海水密度，kg/m3；CD為垂直于柱體軸線方向的拖曳力系數(shù)；CM為質(zhì)量系數(shù)。對(duì)于圓柱體，取CD=1，CM=2。加上海流力的影響，作用在直立柱體上任意z處單位長(zhǎng)度上垂直于軸線的力可寫成以下形式：1）當(dāng)z在(-d, 0)范圍內(nèi)，單位長(zhǎng)度上垂直于軸線的波浪海流力為： （6）2）當(dāng)z在(0, H/2)范圍內(nèi)，單位長(zhǎng)度上垂直于軸線的波浪海流力為： （7）2 結(jié)構(gòu)分析2.1 計(jì)算模型本

10、計(jì)算采用有限元校核軟件MSC.PATRAN/Nastran進(jìn)行整船結(jié)構(gòu)（除去樁靴）的建模和強(qiáng)度分析，船體主要構(gòu)件及次要構(gòu)件均建模，局部的支撐構(gòu)件如肘板等不計(jì)入模型中，桁材等的小開孔忽略不計(jì)。計(jì)算模型的質(zhì)量和重心位置最終應(yīng)確保和實(shí)船一致。本計(jì)算在模型中采用右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)設(shè)于船尾垂線和基線相交處。x軸：縱向沿船首方向?yàn)檎?。y軸：沿水平方向向左舷為正。z軸：垂向自原點(diǎn)向上為正。2.2 工作載荷1）700t主吊機(jī)/300t輔吊機(jī)的作業(yè)載荷根據(jù)Bernoulli-Euler理論，在起重機(jī)頂部端面使用了多點(diǎn)約束（MPC）單元，在其上施加作業(yè)載荷。2）風(fēng)壓載荷根據(jù)文獻(xiàn)6有關(guān)章節(jié)規(guī)定，結(jié)合本船的工作海域

11、，本船正常作業(yè)狀態(tài)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13.8m/s，自存工況的設(shè)計(jì)風(fēng)速為36m/s，遷移工況（即為拖航工況）的設(shè)計(jì)風(fēng)速為20m/s。3）P-Delta效應(yīng)載荷由于軸向壓縮引起的樁腿整體側(cè)向位移所引起的二次力和力矩應(yīng)加以考慮，即為P-Delta效應(yīng)，按照式（8）計(jì)算。=/(1-P/PE) （8）式中：為主船體線彈性一階測(cè)向位移，m；P為樁腿平均受壓載荷，N；PE為整根樁腿的彈性臨界力（歐拉力），N。4）可變載荷可變載荷是根據(jù)裝載手冊(cè)中的船體裝載質(zhì)量以及主要的結(jié)構(gòu)、舾裝、電氣部分的質(zhì)量，其中較大的設(shè)備在模型中以質(zhì)量點(diǎn)的方式進(jìn)行施加，油水等以對(duì)船體的壓力或者質(zhì)量點(diǎn)的方式進(jìn)行施加。2.3 邊界約束條件根據(jù)本

12、平臺(tái)的作業(yè)特點(diǎn)，作業(yè)之前已經(jīng)對(duì)樁腿預(yù)壓，使插入海泥中的樁靴預(yù)壓牢固，故本計(jì)算初步在樁腿泥面下3m部位進(jìn)行絞支約束（約束三個(gè)方向位移）。2.4 計(jì)算海況選取在計(jì)算船體在升起狀態(tài)的承載能力時(shí)，波浪力的計(jì)算嘗試選取了以下9種海況條件，如表1所示。表1 計(jì)算海況選取海況波高周期水深流速氣隙海況波高周期水深流速氣隙海況1（作業(yè)）5m7s25m3kn2.5m海況6（自存）4m7s2.3m3kn3m海況2（自存）5m8s25m3kn2.5m海況7（自存）5m8s2.5m3kn2.5m海況3（作業(yè)）3m7s25m3kn3.5m海況8（升降）5m7s25m3kn2.5m海況4（自存）4m7s15m3kn3m海況

13、9（自存）5m8s25m3kn2.5m海況5（作業(yè)）3m7s2.3m3kn3.5m2.5 計(jì)算工況根據(jù)文獻(xiàn)6，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)升降工況、自存工況、作業(yè)工況進(jìn)行特別關(guān)注，在計(jì)算升降工況、自存工況及作業(yè)工況中，波浪力依次選擇表1中工況8、工況9、工況1的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并分別按照15°間隔為一個(gè)工況，360°范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。在以上所得的36個(gè)計(jì)算工況中，令波浪載荷、風(fēng)載荷、吊機(jī)載荷為相同作用方向施加，確保結(jié)構(gòu)的載荷疊加達(dá)到最大效果。2.6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析根據(jù)文獻(xiàn)6、文獻(xiàn)7規(guī)范推薦強(qiáng)度校核取各單元形心處的中面等效應(yīng)力。計(jì)算工況1工況12對(duì)應(yīng)升降工況，在這12個(gè)工況中最大Von Mises應(yīng)

14、力為282MPa，為右舷主甲板處和艏部護(hù)樁架交接部位；工況13工況24對(duì)應(yīng)自存工況，在這12個(gè)工況中結(jié)構(gòu)應(yīng)力總體分布均勻，主船體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力水平主要分布在170MPa200MPa范圍，最大的Von Mises應(yīng)力為264MPa，為右舷主甲板和艉部護(hù)樁架交接部位；工況25工況36對(duì)應(yīng)作業(yè)工況，最大的Von Mises應(yīng)力為265MPa，主船體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力水平為200MPa260MPa范圍，各部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如表2及圖1圖6所示。表2 主要構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力(MPa)工況序號(hào)整船結(jié)構(gòu)船體樁腿護(hù)樁架工況序號(hào)整船結(jié)構(gòu)船體樁腿護(hù)樁架工況序號(hào)整船結(jié)構(gòu)船體樁腿護(hù)樁架升降工況1(0°

15、)282282172235自存工況13(0°)204181124204作業(yè)工況25(0°)2592591451862(30°)27421717127414(30°)21117713021126(30°)2322321511923(60°)27127117622915(60°)22517913422527(60°)2202201622084(90°)26926917423416(90°)23918213623928(90°)2132011652135(120°)26226217

16、224317(120°)24818613624829(120°)2242241562026(150°)26126118324618(150°)26419113826430(150°)2392391391817(180°)26526520825119(180°)24619213024631(180°)2652651181718(210°)26223117826220(210°)24019512624032(210°)2442441281619(240°)264234174264

17、21(240°)22619412222633(240°)21421414218310(270°)25523217325522(270°)21519212021534(270°)22822815820111(300°)24222617024223(300°)20418711920435(300°)22622616521112(330°)25423517125424(330°)19118211819136(330°)2272271612072.7 應(yīng)力分布特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)建議本計(jì)算的36個(gè)工況中

18、，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均低于各自鋼材等級(jí)對(duì)應(yīng)的許用值，滿足規(guī)范要求。1）在自存工況和預(yù)壓工況中，高應(yīng)力發(fā)生在護(hù)樁架結(jié)構(gòu)部位，分布在護(hù)樁架和主船體相交的局部區(qū)域以及護(hù)樁架頂面與樁腿連接部位，此時(shí)船體梁和護(hù)樁架主要承受剪切力載荷。2）在作業(yè)工況中，船體承受吊機(jī)工作載荷、風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量、自身質(zhì)量以及平臺(tái)變形后產(chǎn)生的P-Delta載荷，高應(yīng)力發(fā)生在吊機(jī)底座和主船體甲板相交的部位，彎曲應(yīng)力顯得突出。3）質(zhì)量控制對(duì)于平臺(tái)意義重大，局部非主要構(gòu)件如上層建筑、橫艙壁及橫向構(gòu)件等，可在滿足橫向強(qiáng)度基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，以有利于平臺(tái)的升降。本平臺(tái)樁腿應(yīng)力小，有優(yōu)化的空間。3 結(jié)論通過對(duì)近海風(fēng)電安裝平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

19、強(qiáng)度分析計(jì)圖1 升降工況最大Von Mises應(yīng)力及變形圖 圖2 自存工況最大Von Mises應(yīng)力及變形圖圖3 作業(yè)工況最大Von Mises應(yīng)力及變形圖 圖4 升降工況主要構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力圖5 自存工況主要構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力 圖6作業(yè)工況主要構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力算，得到如下結(jié)論：1）此類自升式平臺(tái)，抗剪切和抗彎曲能力非常重要，船體梁尤其是在護(hù)樁架部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，需要具備足夠的抗剪能力和抗彎能力，這也是控制目標(biāo)平臺(tái)總體強(qiáng)度的關(guān)鍵要素。2）此類淺水區(qū)域作業(yè)的自升式平臺(tái)，主要承受的是自身質(zhì)量、甲板上風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量及吊機(jī)作業(yè)載荷，其受到波浪流載荷的影響相對(duì)輕微，相比之下在自存工況時(shí)的風(fēng)載荷比較大，需要特別注意。3）此外，樁腿、樁靴、護(hù)樁架結(jié)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)是此類平臺(tái)的關(guān)鍵部位，也是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自身舉重功能的基礎(chǔ)，假如這幾個(gè)關(guān)鍵部位出現(xiàn)問題，將直接影響其功能的實(shí)現(xiàn)，故使用過程中需注意護(hù)理。參考文獻(xiàn)：1M.J. Cassidy, P.H. Taylor, R.Eatock Taylor, et al. Evaluation of Long-term Extreme Response Statistics of Jack-up PlatformsJ.