自升式風(fēng)車安裝船升降室與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

王永剛，劉仁昌，張利軍，李連亮，王金峰，汪 勇

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

自升式風(fēng)車安裝船升降室與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

王永剛，劉仁昌，張利軍，李連亮，王金峰，汪 勇

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116600)

考慮到自升式風(fēng)車安裝船的升降室和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在樁腿和主船體之間連接和傳遞載荷起關(guān)鍵作用，參考DNV海工規(guī)范要求并結(jié)合有限元直接計算方法，使用Genie軟件對兼做吊車基座的左后升降室和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模和應(yīng)力分析，采用工作應(yīng)力法評估目標(biāo)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，得出升降室與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)基于強(qiáng)度設(shè)計的影響因素。

自升式風(fēng)車安裝船；升降室；導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；吊車基座；工作應(yīng)力法；強(qiáng)度評估

中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)承接的近海風(fēng)車安裝船主要用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運輸、安裝和維護(hù)。它是一款自升式船型結(jié)構(gòu)物，集自升式平臺和起重船的功能和特點于一身，4根圓筒形樁腿與4套插銷式液壓頂升系統(tǒng)相配合，通過升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與主船體相連接。配有900 t起重能力的吊車，以環(huán)繞樁腿的方式布置在船尾左舷的升降室上，使該升降室在傳遞樁腿和船體之間的相互作用力的同時，兼做主吊車的基座結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的自升式起重船布置[1]相比，該布置可以有效地提升甲板空間，減少單獨做吊車基座的結(jié)構(gòu)重量，增大吊車在船外的起重范圍和高度。同時也使升降室結(jié)構(gòu)承受更大的載荷和彎矩，因此需要校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 升降室與上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的特點

近海風(fēng)車安裝船主參數(shù)見表1。

表1 近海風(fēng)車安裝船主參數(shù) m

升降室是一箱形結(jié)構(gòu)，頂部有兩層甲板，液壓頂升系統(tǒng)位于升降室內(nèi)。每套液壓頂升系統(tǒng)由4個鉸接梁和8組油缸組成。每個鉸接梁通過1個樁腿插銷和2個對稱的升降油缸插銷分別與樁腿和油缸組下端相連接，油缸上端再通過插銷與位于升降室頂部的眼板相連接。利用油缸中活塞桿的伸縮帶動鉸接梁上下運動，并利用樁腿插銷固定樁腿，從而實現(xiàn)主船體和樁腿的相互運動和定位[2-3]。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)為圓環(huán)形板架結(jié)構(gòu)形式，上下導(dǎo)向間距18.1 m，導(dǎo)向內(nèi)徑與樁腿外徑有10 mm間隙。系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)布置

2 載荷和分析工況

2.1 載荷分析

由樁腿和頂升系統(tǒng)傳遞給升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的作用力包括垂向力和水平力。垂向力由8個與液壓油缸組相連接的眼板傳入，并均勻地分配給各個眼板。上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)只承受水平力，圓筒形樁腿與圓環(huán)形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)之間的載荷作用方式為軸承載荷，假定按正弦函數(shù)分布在導(dǎo)向沿壓力方向的半圓周范圍內(nèi)。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)圓環(huán)形板的板厚較大，假定其承受所有水平力的40%，剩余60%由與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)相連接的支撐結(jié)構(gòu)承受。

在風(fēng)車安裝船升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核中，載荷主要有以下幾種。

1)自重。包括樁腿、空船重量及裝載貨物；

2)吊車載荷。風(fēng)車安裝船作業(yè)工況時吊起的貨物重量，只在作業(yè)工況中考慮；

3)風(fēng)載。移航時主要作用在樁腿和吊車；作業(yè)和自存時除作用在樁腿和吊車上以外，還作用在風(fēng)車安裝船整體以及甲板上裝載的貨物上；

4)慣性力。移航時，主要針對樁腿、吊車和液壓頂升系統(tǒng)等的慣性力；作業(yè)和自存時，需要考慮風(fēng)車安裝船的固有周期與波浪載荷周期之間存在動態(tài)放大效應(yīng)。

5)樁靴提供的浮力，只在移航工況中考慮。

2.2 分析工況

根據(jù)DNV-OS-C201[4]的規(guī)定，分別就移航、作業(yè)及自存3種設(shè)計工況對升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，每個設(shè)計工況包含a)和b)兩種裝載工況。其中：a)為功能載荷，b)為組合最大環(huán)境載荷和相應(yīng)的功能載荷。

2.2.1 移航工況

在移航工況對應(yīng)的設(shè)計環(huán)境下，主船體在水中處于漂浮狀態(tài)，樁腿主體在主船體上方，吊車不進(jìn)行作業(yè)。利用準(zhǔn)靜態(tài)法計算樁腿上的載荷[5]，根據(jù)作用力與反作用力原理，通過計算樁腿上受到的作用力，得到升降室與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)所受到的載荷。樁腿在移航工況受到風(fēng)力，重力以及由于運動引起的慣性力。假定自升式海洋結(jié)構(gòu)物的橫搖和縱搖運動為簡諧運動[6-7]，搖擺中心為水線面處的漂心，其周期為10 s，振幅為15°。考慮到風(fēng)車安裝船為船型結(jié)構(gòu)，保守的按照橫搖的簡諧振動(周期10 s，振幅15°)計算樁腿和升降室與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)之間的相互作用力。移航工況下風(fēng)車安裝船的受力分析見圖2。

FTS，F(xiàn)TD，F(xiàn)W-水平的靜載荷、慣性載荷和風(fēng)載； FLS，F(xiàn)LD-垂向的靜載荷和慣性載荷圖2 移航工況下樁腿受力分析

樁腿結(jié)構(gòu)重量沿長度方向均勻分布，根據(jù)挪威船級社海工規(guī)范推薦算法，距離旋轉(zhuǎn)中心軸r處的慣性加速度為

(1)

(2)

式中：ε0——最大角加速度;θ0——橫搖振幅;Τ0——橫搖固有周期。

樁腿上承受的作用力如下。

a)水平力。

靜載荷FTS=MLgsinθ0

作用點xs=l(0.5+b/l)

慣性載荷FTD=MLε0l(0.5+b/l)

(3)

b)垂向力。

靜載荷 FLS=MLgcosθ0

(4)

慣性載荷 FLD=MLε0d

c=0.85cosθ0[(ZH/Z0)1.18-(ZL/Z0)1.18]

(5)

(6)

式中：ρ——空氣密度；g——重力加速度；Cd——拖曳力系數(shù)；D——垂直于拖曳力方向上的構(gòu)件的剖面尺寸，如果是圓柱體，為直徑D；

VR——Z0處的1 min平均風(fēng)速；

Z0——定義風(fēng)速的參考高度(靜水面以上10 m高度位置)；

ZH——靜水面到樁腿頂部的垂直距離；

ZL——靜水面到上部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的垂直距離；

ML——樁腿在上部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以上部分的全部重量；

l,b,d見圖2。

樁腿在移航工況下的剪力和彎矩見圖3。

圖3 樁腿在移航工況下剪力和彎矩

根據(jù)作用力與反作用力原理，下部和上部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)所承受的載荷大小分別為：

(7)

(8)

式中：β——頂升系統(tǒng)上的垂向載荷提供的對樁腿的彎矩約束作用占總的彎矩約束作用(大小等于M0)的百分比;

M0,Q0,d見圖3。

該工況下上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的水平力由式(7)、式(8)得到，作用在升降室結(jié)構(gòu)上的垂向力包括由式(4)得到的樁腿的垂向力、液壓頂升系統(tǒng)的重量載荷及垂向慣性載荷和樁靴提供的浮力；吊車自重通過設(shè)備載荷方式加載；風(fēng)載通過定義風(fēng)場由軟件自行計算。

2.2.2 作業(yè)工況

作業(yè)工況中風(fēng)車安裝船處于站立狀態(tài)，整個主船體由樁腿支撐，吊車正常作業(yè)，樁腿與主船體之間的垂向作用力為主船體和裝載貨物以及吊車作業(yè)的吊重載荷，以反作用力的方式施加到與液壓油缸組相連接的8個眼板上。樁腿與主船體之間的相互作用力根據(jù)樁腿不同的插深、海床對樁靴的約束狀況、環(huán)境載荷的方向和吊車作業(yè)的方向而改變，如圖4所示。

圖4 樁腿在站立工況下載荷分布

該部分載荷通過風(fēng)車安裝船的整體強(qiáng)度有限元分析模型中讀取。根據(jù)DNV起重設(shè)備規(guī)范規(guī)定[8]，最大吊重量900 t要乘以因為吊車作業(yè)引起的動態(tài)系數(shù)，該系數(shù)為1.1，即吊車吊起990 t貨物所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離時對升降室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大彎矩，得到最危險的吊車載荷。

2.2.3 自存工況

自存工況中風(fēng)車安裝船處于站立狀態(tài)，整個主船體由樁腿支撐，吊車不進(jìn)行作業(yè)，樁腿與主船體之間的相互作用力與作業(yè)工況相似，并由風(fēng)車安裝船的整體強(qiáng)度有限元分析模型中讀取。

2.3 計算工況總結(jié)

通過DNV海工規(guī)范推薦算法和總體強(qiáng)度分析報告，得到各個工況下樁腿和液壓頂升系統(tǒng)與升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)之間的相互作用力。通過比較分析這些載荷，擬進(jìn)行強(qiáng)度校核，工況見表1。

3 結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1 有限元模型

升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)有限元模型主要由殼單元和梁單元組合而成[9-10]，見圖5。其中，甲板、外板、艙壁、肋板、大肘板、桁材腹板、升降室圍壁上的加強(qiáng)筋腹板采用四節(jié)點殼單元，其他加強(qiáng)筋和T型材面板采用2節(jié)點梁單元模擬，模型的整體網(wǎng)格單元尺寸為700 mm×700 mm，升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以及其附近相連接的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元尺寸為100 mm×100 mm，過渡區(qū)域網(wǎng)格單元尺寸為200 mm×200 mm。

3.2 邊界條件

選擇FR12&72橫艙壁和中縱艙壁為模型邊界，并假設(shè)模型邊界與分析目標(biāo)距離足夠遠(yuǎn)并不影響其計算結(jié)果。四周邊界與外界有艙壁連接區(qū)域6自由度固支，詳見圖5。

表1 主要計算工況

圖5 有限元模型及邊界條件

4 強(qiáng)度分析和評估結(jié)果

4.1 屈服強(qiáng)度

升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度評估是基于挪威船級社海工規(guī)范的工作應(yīng)力法(WSD法)。

(9)

(10)

式中：σeqv——計算得到的von Mises應(yīng)力；fy——材料的屈服極限；ηp——最大許用利用系數(shù)；η0——基本利用系數(shù)，對應(yīng)a)、b)、η0分別為0.60和0.80；平臺在無人作業(yè)的極端條件下，裝載工況b)的利用系數(shù)可以取0.84；

β——取決于結(jié)構(gòu)類型、失效模式和細(xì)長比的系數(shù)，在屈服強(qiáng)度校核時取β=1。

升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)使用了2種級別的材料，不考慮應(yīng)力集中點的情況下，2種鋼材的級別和許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 鋼材級別和許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn) MPa

4.2 計算結(jié)果

對表1中主要計算工況的分析結(jié)果進(jìn)行搜索后得到目標(biāo)區(qū)域各個位置處的最大的von Mises應(yīng)力結(jié)果。裝載工況a)詳見圖6，裝載工況b)詳見圖7。

圖6 裝載工況a)von Mises 應(yīng)力結(jié)果

圖7 裝載工況b)von Mises 應(yīng)力結(jié)果

從圖6、7可以看出，在不同裝載工況下，按照NV36鋼材的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，整體應(yīng)力水平大部分都滿足許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，升降室和主船體連接處的肘板采用NV500的超高強(qiáng)度鋼材亦滿足要求。個別區(qū)域由于角隅結(jié)構(gòu)形式和不規(guī)則網(wǎng)格導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。依據(jù)挪威船級社海工規(guī)范[11]進(jìn)一步對該區(qū)域用局部細(xì)化應(yīng)力法校核，細(xì)化網(wǎng)格下的應(yīng)力峰值為材料屈服強(qiáng)度和峰值應(yīng)力系數(shù)ηpeak的乘積。按照表3選擇ηpeak。

表3 細(xì)網(wǎng)格有限元分析許用峰值利用系數(shù)(ηpeak)

考慮目標(biāo)區(qū)域結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格尺寸，所以ηpeak對應(yīng)裝載工況a)和b)分別取1.18和1.48，得到相應(yīng)材料的許用峰值應(yīng)力,見表4。

表4 最大許用峰值應(yīng)力

結(jié)果表明，由于局部應(yīng)力集中而高于許用應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，小于許用峰值von Mises應(yīng)力，所以升降室和上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1)升降室與主船體連接位置的4個角點屬于應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)結(jié)合甲板面積要求和升降室整體抗彎剛度要求進(jìn)行綜合考慮。

2)吊車直接布置在升降室頂部對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大影響。為了減小對吊車所在位置升降室內(nèi)液壓頂升系統(tǒng)頂升能力的過高要求，設(shè)計初期需對風(fēng)車船滿載狀態(tài)的重心進(jìn)行控制，使得每套頂升系統(tǒng)所承受的整船重量載荷盡量相同。

3)上下導(dǎo)向與樁腿的接觸面積、上下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)之間的距離對導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的承載能力有很大影響。樁腿橫截面最大彎矩一定的情況下，上下導(dǎo)向距離越大則導(dǎo)向結(jié)構(gòu)承受的載荷越小，需要找到升降室高度、升降室局部強(qiáng)度、樁腿長度等方面的最佳設(shè)計平衡點。

4)樁腿與導(dǎo)向接觸時，相互作用力的真實分布情況比較復(fù)雜，本文采用了偏于保守的簡化方法，環(huán)形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和其背后支撐結(jié)構(gòu)之間所承受壓力的載荷分配還有待進(jìn)一步研究。

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Strength Assessment for Jack House and Guides Structure of Jack-up WTIV

WANG Yong-gang, LIU Ren-chang, ZHANG Li-jun, LI Lian-liang, WANG Jin-feng, WANG Yong

(COSCO-Shipyard Group Co. Ltd., Dalian Liaoning 116600, China)

Considering that the jack house and guide structures in jack-up wind turbine installation vessel (WTIV) play an important role to connect the legs and hull and transfer the interaction forces between them, it's necessary to verify the yield strength of them. Referring to DNV offshore rules, the FE model of the jack house and guide structures, on which the main crane is mounted, is established in Genie, and stress analysis and assessment of yield strength for goal structure are carried out by working stress design (WSD) method. Some influential factors for structure strength design are extracted.

Jack-up wind turbine installation vessel; jack house; guides; crane foundation; working stress design method; strength assessment

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.001

2015-06-03

工信部高技術(shù)船舶科研項目 (工信部聯(lián)裝2011536號)

王永剛(1982-)，男，學(xué)士，工程師

U674.3

A

1671-7953(2015)06-0001-05

修回日期：2015-06-29

研究方向:船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)

E-mail:wangyonggang@cosco-shipyard.com