海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析引言近年來，隨著全球環(huán)境污染與能源緊缺問題的日趨嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種可再生的無污染能源，其發(fā)展得到了廣泛的重視。同時(shí)，陸上可用空間的有限性與海上更豐富的風(fēng)能資源，海上風(fēng)能的開發(fā)日益受1991年至2009382056MW，占世界海上風(fēng)電裝機(jī)容量的三分之二，其中有一半以上的海上風(fēng)電場(chǎng)是近五年建成[1]。我國目前已建成142MW[2]20203000KW[3]。對(duì)風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究可采用實(shí)驗(yàn)方法、解析方法和數(shù)值分析方法三種方法，高額的試驗(yàn)成本限制了實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用，直接計(jì)算與數(shù)值計(jì)算成為研究者最常采用的方法。諶宗琦，朱翔等人采用直接計(jì)算法，對(duì)航行工況下的自升自航式風(fēng)電安裝船總強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估，提出的方法可以為自升式風(fēng)車安裝船的整體強(qiáng)度評(píng)估與船型優(yōu)化提供一定的依據(jù)[4]。姚震球，唐文獻(xiàn)等對(duì)一艘已完成的海上風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部位進(jìn)行了有限元建模分析，得出風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力[5]；隨后，他們又對(duì)海上風(fēng)電吊裝作業(yè)船的最危險(xiǎn)工況——風(fēng)暴自存狀態(tài)下船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析[6]。強(qiáng)度的分析自此有了革命性的突破[7]ABAQUS86.7米的近海風(fēng)電安8種典型工況下風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，為海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析提供了可供參考的數(shù)值方法。全船有限元模型的建立45MW風(fēng)電機(jī)組。為將船體上升到海平面得以使自身的吊裝作業(yè)工作環(huán)境平4360度旋轉(zhuǎn)的起重吊機(jī)。風(fēng)電安裝船全船有限元模型見圖1船尾部艉封板延伸面與底板延生面的交線的中點(diǎn)，X軸正向指向船首，Y軸正向指向船左舷，Z軸正向垂直向上。船體內(nèi)部艙壁分布情況見圖2。建立模型時(shí)主要采用以下兩種單元類型：板殼單元(shellelement)與梁?jiǎn)卧?beamelement)。板殼單元有平面內(nèi)的彎曲剛度，能夠承受彎曲應(yīng)力和平面內(nèi)的正應(yīng)力與剪應(yīng)力；梁?jiǎn)卧袃芍鬏S慣性矩以及截面積，能承受拉壓與彎曲。ABAQUSABAQUS加強(qiáng)作用的，于是使用“綁定”約束能得到較好的模擬效果。網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算的精度與計(jì)算的時(shí)間有最直接的影響。對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)來說，有相對(duì)較為成熟的網(wǎng)格劃分原則：沿船長(zhǎng)方向主要依據(jù)船體的肋位分布，船寬方向上參考船體的縱骨分布[8]。本文中，考慮到所研究的船舶為特殊的工程船，應(yīng)力水平較普通水面型船舶較大且計(jì)算精度要求較高，因此網(wǎng)格密度保持在一個(gè)縱骨間距三個(gè)單元的量級(jí)水平，目的在于使結(jié)構(gòu)單元更為精細(xì)。主要構(gòu)件的四邊形單元邊長(zhǎng)比不超過1:2。最終全船有限元模型共有節(jié)點(diǎn)649,868個(gè)，單元766,109個(gè)。計(jì)算工況的確定該風(fēng)電安裝船所受到的載荷包括重力及功能載荷，環(huán)境載荷、設(shè)計(jì)與貨物載荷。Figure1.Finiteelementmodelofthewholeship圖Figure1.Finiteelementmodelofthewholeship圖1.全船有限元模型Figure2.Figure2.Finiteelementmodelofshiphull圖2.船體內(nèi)部有限元模型重力及功能載荷3140.4t100t，根據(jù)輪機(jī)設(shè)MPC多點(diǎn)約束)t340.8t，以面壓力的方式施加到模型中的對(duì)應(yīng)艙室中的底面上；船上共設(shè)置了4個(gè)壓載水艙來調(diào)整船舶的浮態(tài)。在載荷的計(jì)算中，使用面壓力的形式將壓載水載荷施加到壓載水艙內(nèi)的底板上。環(huán)境載荷(作業(yè)工況)6級(jí)(10.8~13.813.5m/s27kn)P的計(jì)算公式參考規(guī)范[9]按式(1)：V——設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

P0.613103V2KPa

(1)作用于構(gòu)件上的風(fēng)力按式(2)計(jì)算，并應(yīng)確定合力作用點(diǎn)的垂直高度。FwChCSSPkN

(2)式中：P——風(fēng)壓，KPa；hSh(構(gòu)件型心到設(shè)計(jì)水面的垂直距離)CS——受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)，可以根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)確定。h波浪力考慮小尺度孤立樁柱上的波浪力，參考莫里遜公式進(jìn)行計(jì)算[9]：kNm——單位長(zhǎng)度上的曳力，kN/m——單位長(zhǎng)度上的慣性力，kN/m。作用在平臺(tái)水下部分構(gòu)件的海流載荷可按式(4)計(jì)算[9]；

(3)F1Cf 2

D

V2A

(4)其中：C——曳力系數(shù)；——海水密度，t/m3；V——設(shè)計(jì)海流流速，m/s；A——構(gòu)件在與流速垂D W直平面上的投影面積，m2。設(shè)計(jì)載荷與貨物載荷本工作船使用的起重機(jī)重量約為600t，其中吊臂的重量為120t。本船對(duì)風(fēng)電機(jī)組的裝載量的設(shè)計(jì)是45MW的風(fēng)機(jī)，采用“兔耳式”運(yùn)輸方式進(jìn)行裝載運(yùn)輸。所謂的“兔耳式”5MW61.6t14.3t6.1t。在船長(zhǎng)方向上左右舷依次放置兩個(gè)機(jī)艙和兔耳。兔耳重量以面積力形式加載。計(jì)算工況的確定本研究選取工況包括自升后固定，正常作業(yè)起吊以及保證自升式鉆井平臺(tái)地基穩(wěn)定性而預(yù)先施加垂直載荷的下樁預(yù)壓等不同作業(yè)狀態(tài)和環(huán)境組合工8種工況。具體說明詳見表1。計(jì)算結(jié)果和強(qiáng)度校核1號(hào)工況自升后的固定時(shí)船體應(yīng)力結(jié)果見圖3。吊機(jī)支座固樁架下樁腿、吊機(jī)支座固樁架下樁腿邊、吊機(jī)底座固樁架內(nèi)部齒輪齒條嚙合處應(yīng)力結(jié)果分別見圖4~6。選擇吊機(jī)底座樁腿、固樁架、樁靴以及橫艙壁、舷側(cè)外板、縱艙壁作為海上風(fēng)電安裝船關(guān)鍵觀察局部點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。許用應(yīng)力按照式(5)進(jìn)行計(jì)算[9]。sMPaSS為安全系數(shù)，選取依據(jù)表2，船體各部分材料的許用應(yīng)力如3。

(5)不同工況作用下風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部位強(qiáng)度校核結(jié)果見vonMises應(yīng)力結(jié)果。+7.231e+01+6.628e+01+6.026e+01+5.423e+01+7.231e+01+6.628e+01+6.026e+01+5.423e+01+4.820e+01+4.218e+01+3.615e+01+3.013e+01+2.410e+01+1.808e+01+1.205e+01+6.026e+00+1.090e-16S,MisesSNEG,(fraction(平均：75%)Figure3.Stressresultsofhullincase13.1時(shí)船體應(yīng)力結(jié)果+1.204e+02+1.103e+02+1.003e+02+9.028e+01+8.025e+01+7.022e+01+6.019e+01+5.015e+01+4.012e+01+3.009e+01+2.006e+01+1.003e+01+0.000e+00S,MisesSNEG,(fraction=-1.0)(平均：75%)Figure4.Stressdistributionofpilelegunderthesupportofcrane圖4.吊機(jī)支座固樁架下樁腿的應(yīng)力分布Figure5.Stressdistributionofthepileframeofthecrane圖5.Figure5.Stressdistributionofthepileframeofthecrane圖5.吊機(jī)基座固樁架應(yīng)力分布Figure6.Stressdistributionofthegearrackandpinionintheframeoftheliftingmachine圖6.吊機(jī)底座固樁架內(nèi)部齒輪齒條嚙合處應(yīng)力分布Table1.Casesofwindpowerinstallationvessel表1.風(fēng)電安裝船的工況確定工況號(hào)作業(yè)狀態(tài)風(fēng)向吊重吊臂狀態(tài)1自升后固定橫風(fēng)無固定2自升后固定迎風(fēng)無固定3正常作業(yè)起吊迎風(fēng)風(fēng)機(jī)自重沿船長(zhǎng)方向4正常作業(yè)起吊橫風(fēng)風(fēng)機(jī)自重沿船長(zhǎng)方向5正常作業(yè)起吊迎風(fēng)風(fēng)機(jī)自重沿船寬方向6正常作業(yè)起吊橫風(fēng)風(fēng)機(jī)自重沿船寬方向7預(yù)壓迎風(fēng)無固定8預(yù)壓橫風(fēng)無固定Table2.Valuesofsafetyfactor表2.安全系數(shù)取用值靜載工況組合工況軸向、彎曲應(yīng)力1.671.25剪切應(yīng)力2.501.88Table3.Criticalstressofeachpartofthehull表3.船體各部位高應(yīng)力強(qiáng)度校核時(shí)許用應(yīng)力Table3.Criticalstressofeachpartofthehull表3.船體各部位高應(yīng)力強(qiáng)度校核時(shí)許用應(yīng)力船體部位需用應(yīng)力(MPa)船體鋼板板材235樁腿外板301骨架、固樁架301樁靴301Table4.Summaryofstressresultsofshiphullatdifferentcases(unit:MPa)Table4.Summaryofstressresultsofshiphullatdifferentcases(unit:MPa)表4.各工況下船體各部位應(yīng)力結(jié)果匯總(單位：MPa)部位工況甲板底板樁腿固樁架樁靴橫艙壁舷側(cè)外板縱艙壁160.0829.65100.872.31120.416.6339.1439.35259.7129.46100.873.27120.816.643939.343154.866.0587.62117.6104.645.6191.53102.74155.265.9787.64117.3104.245.6191.58102.55176.261.39203.1174.8243.693.1782.11148.2617561.26203.3174243.292.8981.93134767.0545.04174122.2197.924.1854.8570.66