海上高速雙體風(fēng)電維護(hù)船結(jié)構(gòu)方案及其強(qiáng)度分析

謝云平，魏 利，糜成杰，張?jiān)Ｌ?/p>

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一[1]。對(duì)于海上風(fēng)電場，尤其到達(dá)深水地區(qū)的機(jī)組進(jìn)行維護(hù)非常不便，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也非常大[2]。海上風(fēng)電發(fā)展比較先進(jìn)的歐美等國家，一般使用小型單體或雙體的船舶接送人員出入以及進(jìn)行日常的風(fēng)電機(jī)組維護(hù)工作。

雙體船是指具有2個(gè)相互平行的船體(片體)，其上部用強(qiáng)力構(gòu)架(連接橋)連成一個(gè)整體的船。不同于單體船，雙體船的型寬較大，長寬比較小，故一般而言總縱強(qiáng)度易于保證；當(dāng)雙體船遭遇橫浪時(shí)，雙體船遭受非常大的橫向載荷[3]；雙體船遭遇斜浪時(shí)，片體將承受波浪扭矩[4]，雙體船將出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。因此片體和連接橋承受巨大的橫向彎矩及扭矩，其橫向強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和彎扭組合強(qiáng)度[5]是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，中速雙體船結(jié)構(gòu)多采用全橫骨架式；而文獻(xiàn)[8]則建議高速船采用混合骨架(片體縱骨架式、 連接橋甲板橫骨架式)。為探討合理的雙體船結(jié)構(gòu)方案，本文在針對(duì)某維護(hù)船進(jìn)行2種不同結(jié)構(gòu)架式的結(jié)構(gòu)方案，在橫向強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及彎扭組合強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行調(diào)整，以尋求結(jié)構(gòu)重量較輕且強(qiáng)度有保證的結(jié)構(gòu)方案，以滿足海上風(fēng)電維護(hù)高速、安全的性能和使用要求。

1 結(jié)構(gòu)方案構(gòu)思

本雙體維護(hù)船由單層連接橋甲板將2個(gè)片體聯(lián)接而成，片體設(shè)有5道橫艙壁。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，針對(duì)片體的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1是2個(gè)不同結(jié)構(gòu)方案的主甲板平面和典型橫剖面。

圖1 主甲板及橫剖面Fig.1 Plan of deck and section

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 模型及邊界條件

1)模型

考慮到本船上層建筑長度、寬度較小，處于安全考慮，模型取主甲板以下全船結(jié)構(gòu)，建模采用空間板梁單元模擬。片體外板、甲板板、連接橋板、艙壁和主要強(qiáng)構(gòu)件腹板等采用二維3，4節(jié)點(diǎn)板單元模擬，普通骨材用梁單元模擬。本船材料為普通船用鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，材料密度ρ=7.85×103kg/m3。整船有限元模型如圖2所示。

2)邊界條件

參照文獻(xiàn)[8]，為不影響船體各部分相對(duì)變形，使用6個(gè)位移分量約束限制全船模型的空間剛體運(yùn)動(dòng)。在縱中剖面上取首尾各一點(diǎn)A和B，中部舷側(cè)取一點(diǎn)C。約束A點(diǎn)的x，y，z三個(gè)位移分量，約束B點(diǎn)的y，z位移分量和約束C點(diǎn)的在z向位移分量(見圖3)。

圖2 整船有限元模型Fig.2 Finite element model for the whole ship

圖3 邊界條件Fig.3 The boundary condition

2.2 載荷及工況

1)載荷

一般而言，雙體船由于其長寬比較小，外載荷主要是在橫浪狀態(tài)下的橫向載荷和斜浪狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)載荷，其計(jì)算和施加按文獻(xiàn)[8]進(jìn)行。

總縱彎矩MBY：雙體船在迎浪航行時(shí)，船體受沿船長方向不均勻分布的重力和浮力而產(chǎn)生彎曲，在船體各橫剖面受到縱向彎矩和剪力。船體總縱彎矩沿船長按正弦分布，通過施加沿船長方向分布的垂向力實(shí)現(xiàn)。

總橫彎矩：雙體船在橫浪時(shí)，船體受沿船寬方向不均勻分布的重力和浮力而產(chǎn)生彎曲，在船體縱剖面特別是連接橋部位受到橫向彎矩和剪力。計(jì)算時(shí)總橫彎矩等效為橫向?qū)﹂_力Fy，分向外和向內(nèi)2個(gè)獨(dú)立工況計(jì)算。

扭轉(zhuǎn)Mty：雙體船在斜浪時(shí)，片體因不同步的縱搖引起對(duì)橫向的扭矩。將扭矩等效為沿半船長反對(duì)稱分布的均布載荷，將均布載荷p等效為集中力，施加于縱向主要構(gòu)件上。

2)工況

雙體船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，不僅要考慮船的橫向彎曲、扭轉(zhuǎn)，還要充分考慮到彎扭組合情況。按文獻(xiàn)[8]給出的工況組合，加上扭矩Mty單獨(dú)作用，對(duì)載荷工況進(jìn)行計(jì)算，如表1所示。

表1 雙體船計(jì)算工況

表2 各工況下最大計(jì)算應(yīng)力

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，板單元許用等效應(yīng)力為164.5 MPa，梁單元許用正應(yīng)力為157.5 MPa，板單元許用剪切應(yīng)力為89.3 MPa。

圖4 LC7工況下最大應(yīng)力位置Fig.4 The position of maximum stress under LC7

通過以上11種工況下的有限元分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與片體橫艙壁相對(duì)應(yīng)的連接橋強(qiáng)橫梁處(見圖4)，且2種結(jié)構(gòu)方案應(yīng)力相差不大。具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型，全橫骨架式方案結(jié)構(gòu)重量較混合骨架形式輕。

3結(jié)構(gòu)調(diào)整與分析

3.1 結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過對(duì)上述有限元計(jì)算結(jié)果分析，全橫骨架式結(jié)構(gòu)和混合骨架式結(jié)構(gòu)應(yīng)力在部分工況下均不滿足強(qiáng)度要求，考慮全橫骨架式方案結(jié)構(gòu)重量較輕，故針對(duì)全橫骨架式方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。

方案1 將連接橋甲板結(jié)構(gòu)交替設(shè)置的強(qiáng)橫梁改為每檔設(shè)置，結(jié)構(gòu)尺寸不變；

方案2 將對(duì)應(yīng)于片體橫艙壁的連接橋甲板強(qiáng)橫梁尺寸增大，其他結(jié)構(gòu)尺寸不變。

3.2 結(jié)構(gòu)比較

根據(jù)調(diào)整方案分別修改模型并針對(duì)以上不滿足工況作重點(diǎn)計(jì)算(見表3和圖5)。從計(jì)算結(jié)果看出，雙體船在彎曲扭轉(zhuǎn)組合工況7與工況8下受力最大，但方案2受力情況要優(yōu)于方案1，且方案2的結(jié)構(gòu)重量較方案一輕(約輕400 kg)。

表3 各工況下最大計(jì)算應(yīng)力

圖5 LC7全船應(yīng)力云圖Fig.5 The stress contours of the hull under LC7

3.3 結(jié)構(gòu)方案確定

在對(duì)連接橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，方案2在應(yīng)力水平和結(jié)構(gòu)重量上均優(yōu)于方案1，故采用方案2的方式進(jìn)行加強(qiáng)。

4 結(jié) 語

通過2種結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)調(diào)整方案的有限元計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)全船有限元計(jì)算分析表明，全橫骨架式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)于混合骨架式結(jié)構(gòu)，且全橫骨架式結(jié)構(gòu)重量較輕。

2)通過調(diào)整后的結(jié)構(gòu)方案分析比較，調(diào)整后的結(jié)構(gòu)方案均滿足強(qiáng)度要求，采用方案2的方式能夠有效的降低與片體橫艙壁相對(duì)應(yīng)連接橋強(qiáng)橫梁的應(yīng)力，且方案2的結(jié)構(gòu)重量較輕，該結(jié)構(gòu)調(diào)整方案可行。

3)針對(duì)雙體船承受較大的橫向彎曲及橫向扭轉(zhuǎn)彎曲的特點(diǎn)，在進(jìn)行雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采用全橫骨架式結(jié)構(gòu)，采用加強(qiáng)對(duì)應(yīng)于片體橫艙壁的連接橋甲板強(qiáng)橫梁的方式來保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

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