小型三體風(fēng)電維護(hù)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

謝云平，孔祥明，袁雙雙

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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小型三體風(fēng)電維護(hù)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

謝云平，孔祥明，袁雙雙

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：根據(jù)某小型海上高速三體風(fēng)電維護(hù)船總布置要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在不同工況組合下進(jìn)行有限元計(jì)算分析。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果分析其應(yīng)力分布特點(diǎn)，特別是對(duì)連接橋高應(yīng)力集中區(qū)域，制定2種不同結(jié)構(gòu)調(diào)整方案，通過(guò)對(duì)2種方案強(qiáng)度分析比較，確定滿足海上風(fēng)電場(chǎng)使用要求的三體船結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：三體船；風(fēng)電維護(hù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

0引言

2015年后，中國(guó)海上風(fēng)電將進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平[1]。但就海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)船而言，目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有專門的維護(hù)船接送維護(hù)管理人員出入。相比海上風(fēng)電發(fā)展比較先進(jìn)的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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。

與單體船和雙體船相比，三體船具有優(yōu)良的耐波性和快速性，而且適航性好[2]。因此，將三體船設(shè)計(jì)成風(fēng)電維護(hù)船能夠很好地完成在風(fēng)電場(chǎng)大風(fēng)浪下維護(hù)作業(yè)的任務(wù)，也是解決目前維護(hù)船在風(fēng)浪情況下不能出航進(jìn)行維護(hù)工作這一難題的較好辦法。三體船是由3個(gè)船體組成，其2個(gè)側(cè)體只看成是附體的船。不同于單體船，三體船的型寬較大，長(zhǎng)寬比較小，故一般而言總縱強(qiáng)度易于保證；三體船在橫浪時(shí)，由于型寬很大，因此會(huì)遭受很大的橫向載荷[3]；遭遇斜浪時(shí)，側(cè)體會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)[4]。側(cè)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)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵[5]。

三體船本身結(jié)構(gòu)和載荷具有復(fù)雜多樣性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較常規(guī)單體船和雙體船要復(fù)雜得多，強(qiáng)度分析也與常規(guī)船型具有明顯不同特點(diǎn)。我國(guó)在三體船的設(shè)計(jì)研究工作和實(shí)際應(yīng)用方面起步較晚，并無(wú)相應(yīng)的規(guī)范或指南供參考借鑒。本文通過(guò)對(duì)三體船橫向強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及彎扭組合強(qiáng)度的分析，初步了解該船型的應(yīng)力分布特點(diǎn)，為后續(xù)該類船舶的設(shè)計(jì)提供參考。

1船舶概況及結(jié)構(gòu)方案初步設(shè)計(jì)

1.1概況

該三體船滿載排水量約為44 t，主船體設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)20 m，側(cè)體設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)7.75 m，主船體型寬4 m，側(cè)體型寬1.4 m，主船體型深2.5 m，側(cè)體型深2.3 m，設(shè)計(jì)吃水1.2 m。本船搭載10名風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)人員及相關(guān)維護(hù)設(shè)備，采用尾機(jī)型。主船體沿船長(zhǎng)方向依次劃分為：艉尖艙(船艉～Fr3肋位)、清水艙(Fr3肋位～ Fr5肋位)、機(jī)艙(Fr5～ Fr 21肋位)、燃油艙(Fr21～ Fr24肋位)、艏部壓載艙(Fr 24～ Fr32肋位)、艏尖艙(Fr32～船艏)。船體材料為船用A級(jí)鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3，屈服強(qiáng)度σS=235 MPa，材料密度ρ=7.85 t/m3。

1.2結(jié)構(gòu)方案初步設(shè)計(jì)

該船主船體及側(cè)體均采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，且為單層底結(jié)構(gòu)，每個(gè)肋位設(shè)置船底實(shí)肋板；舷側(cè)強(qiáng)肋骨間距和甲板強(qiáng)橫梁間距均為2個(gè)肋位，肋距為500 mm；主船體及側(cè)體的中縱剖面內(nèi)設(shè)置中內(nèi)龍骨；主甲板設(shè)置3道甲板縱桁，連接橋甲板設(shè)置1道甲板縱桁；連接橋首端到主船體船首設(shè)有一平板為過(guò)渡甲板，過(guò)渡甲板設(shè)置3道甲板縱桁。其甲板結(jié)構(gòu)圖和典型橫剖面圖如圖1所示。

2載荷及工況

2.1載荷

2.1.1總橫彎矩

由于目前沒(méi)有針對(duì)小型三體船橫向彎矩計(jì)算的公式或規(guī)范及指導(dǎo)性文件，因此本文參考《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范(2012)》，近似計(jì)算三體船連接橋所受到的總橫彎矩。具體計(jì)算見(jiàn)下式：

MBX=C1Δacgb

式中：MBX為總橫彎矩，kN·m；C1為營(yíng)運(yùn)航區(qū)系數(shù)，C1=0.135；Δ為排水量，實(shí)取三體船側(cè)體排水量，Δ=6.6 t；acg為重心處垂向加速度，acg=9.8 m/s2；b為側(cè)體中心線間距，b=8.1 m。

經(jīng)計(jì)算，MBX=70.728 kN·m

圖1　主甲板及橫剖面圖

當(dāng)發(fā)生橫向中拱彎曲時(shí)，彎矩取正值；發(fā)生橫向中垂彎曲時(shí)，彎矩取負(fù)值。載荷施加時(shí)，把橫向彎矩等效為橫向?qū)﹂_(kāi)力Fy，然后換算為等效集中力，主要施加于整個(gè)側(cè)體水線以下強(qiáng)框架處，分為向外和向內(nèi)2個(gè)獨(dú)立工況分別計(jì)算。

2.1.2扭矩

三體船的扭轉(zhuǎn)載荷和橫向彎矩載荷具有同等重要的地位，特別是在連接橋強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)。在斜浪中航行時(shí)，三體船會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)，而此時(shí)扭轉(zhuǎn)又可以分為橫向扭轉(zhuǎn)和縱向扭轉(zhuǎn)2種情況，其中橫向扭矩和橫向彎矩是連接橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷的重要依據(jù)。由于縱向扭矩主要作用于船體縱向構(gòu)件上，特別是主船體，在大多數(shù)情況下，縱向扭矩載荷重要性不大，因?yàn)榇w是一個(gè)封閉的框架，因此縱向扭矩不予考慮。橫向扭矩計(jì)算也是參照中國(guó)船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范(2012)》，計(jì)算公式如下：

Mty=C3ΔacgL

式中：Mty為扭矩，kN·m；C3為營(yíng)運(yùn)航區(qū)系數(shù)，C3=0.075；L為側(cè)體設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)，L=7.75 m。

經(jīng)計(jì)算，Mty=37.595 kN·m

連接橋所受的橫向扭矩可用側(cè)體半船長(zhǎng)上反對(duì)稱的均布載荷等效，再把均布載荷等效為集中力，施加于側(cè)體縱向主要構(gòu)件，如舷側(cè)、甲板縱桁、船底縱桁等。

2.2工況組合及邊界條件

在三體船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，不僅要考慮三體船總橫彎曲、扭轉(zhuǎn)，還要考慮彎扭組合工況。通過(guò)船體結(jié)構(gòu)在這些工況載荷作用下的相關(guān)響應(yīng)判斷是否滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。表1給出了三體船的計(jì)算工況。

表1　載荷組合工況

邊界條件取主船體中縱剖面，對(duì)其做剛性固定處理。

3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1模型

選擇笛卡爾直角坐標(biāo)系作為全船坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)取在主船體Fr0肋位的基線處，船長(zhǎng)方向?yàn)閄軸，船尾到船首方向?yàn)檎?；船寬方向?yàn)閅軸，右舷到左舷為正；型深方向?yàn)閆軸，向上為正。

本船有限元模型取主甲板以下全船結(jié)構(gòu)，建模采用空間板梁?jiǎn)卧M。外板、甲板板、連接橋板、艙壁和主要強(qiáng)構(gòu)件腹板等采用板單元模擬，普通骨材用梁?jiǎn)卧M。全船有限元模型如圖2所示。

圖2　整船有限元模型

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

按照中國(guó)船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范(2012)》，總強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于以下要求的許用應(yīng)力：板單元許用等效應(yīng)力[σ]=164.5 MPa，梁?jiǎn)卧S用正應(yīng)力[σ]=157.5 MPa，板單元剪切許用應(yīng)力[τ]=89.3 MPa。危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力云圖如圖3～圖6所示，各工況下最大應(yīng)力見(jiàn)表2。

工況LC1、LC2，即橫浪狀態(tài)下，由于三體風(fēng)電維護(hù)船型寬較大，側(cè)體及連接橋會(huì)產(chǎn)生明顯的橫向中拱和中垂，并且在連接橋首尾端的強(qiáng)橫梁處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接橋Fr11肋位強(qiáng)橫梁處；在工況LC3～LC6，即斜浪工況下，三體船在斜浪航行時(shí)會(huì)發(fā)生橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)，即同時(shí)受到總橫彎矩和扭矩的作用，連接橋首尾端有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在連接橋尾端強(qiáng)橫梁處，且不滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。在工況LC7，即單獨(dú)扭轉(zhuǎn)工況下，體現(xiàn)了側(cè)體產(chǎn)生扭矩作用效果，此時(shí)應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在連接橋尾端強(qiáng)橫梁處。

圖3　工況3全船應(yīng)力云圖(Mises應(yīng)力)

圖4　工況4全船應(yīng)力云圖(Mises應(yīng)力)

圖5　工況5全船應(yīng)力云圖(Mises應(yīng)力)

從表2可以看出，在工況LC1、LC2和LC7下，三體風(fēng)電維護(hù)船各船體構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。但是，在工況LC3～LC6下，連接橋與主側(cè)體連接處發(fā)生應(yīng)力集中，特別是在連接橋首尾端，且應(yīng)力值大于許用應(yīng)力，表明橫浪加扭轉(zhuǎn)組合工況是三體船最危險(xiǎn)工況。

圖6　工況6全船應(yīng)力云圖(Mises應(yīng)力)

工況相當(dāng)應(yīng)力/MPa剪切應(yīng)力/MPa最大相當(dāng)應(yīng)力位置是否滿足強(qiáng)度要求LC111860.7Fr11甲板強(qiáng)橫梁面板處滿足LC211860.7Fr11甲板強(qiáng)橫梁面板處滿足LC315982.3連接橋尾端強(qiáng)橫梁面板處滿足LC416082.5連接橋尾端強(qiáng)橫梁面板處滿足LC516585.5連接橋尾端強(qiáng)橫梁面板處不滿足LC616585.8連接橋尾端強(qiáng)橫梁面板處不滿足LC713269連接橋尾端強(qiáng)橫梁面板處滿足

4結(jié)構(gòu)調(diào)整與分析

4.1結(jié)構(gòu)調(diào)整

通過(guò)上述各工況下的有限元計(jì)算分析可知，在工況LC5和LC6這2種工況下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求，主要是由于連接橋所受的總橫彎矩引起的。

本文針對(duì)連接橋結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案調(diào)整如下。

方案1：連接橋每肋位設(shè)置強(qiáng)橫梁，結(jié)構(gòu)尺寸保持不變，全船結(jié)構(gòu)重量18.72 t。

方案2：通過(guò)加大強(qiáng)橫梁結(jié)構(gòu)尺寸從而提高連接橋強(qiáng)度。連接橋強(qiáng)橫梁加大為T4 mm×60 mm/6 mm×126 mm，全船結(jié)構(gòu)重量18.63 t。

4.2結(jié)果比較

根據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案，分別針對(duì)上述應(yīng)力較大的LC5、LC6工況計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力云圖分別見(jiàn)表3和圖7。從計(jì)算結(jié)果可以看出，2種方案均減小了連接橋的應(yīng)力水平，滿足強(qiáng)度要求；雖然方案1的應(yīng)力水平優(yōu)于方案2，但兩者應(yīng)力水平相差不大。對(duì)于小型高速船而言，控制全船結(jié)構(gòu)鋼料重量顯得尤為重要。兩者強(qiáng)度相差不大時(shí)，建議采用方案2的結(jié)構(gòu)形式用于連接橋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

表3　各工況下最大計(jì)算應(yīng)力

圖7　LC6全船應(yīng)力云圖

5結(jié)語(yǔ)

從小型三體風(fēng)電維護(hù)船在不同工況下的全船有限元計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)三體船而言，橫向彎矩和扭轉(zhuǎn)組合工況是最危險(xiǎn)的工況。連接橋是承受該載荷的主要構(gòu)件，在其與主側(cè)體連接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，特別是連接橋首尾端，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

(2)通過(guò)調(diào)整后的結(jié)構(gòu)方案分析比較，2種方案均滿足強(qiáng)度要求，且兩者應(yīng)力水平相當(dāng)，但方案2的結(jié)構(gòu)重量較輕，故采用該方案。

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謝云平(1964-)，男，研究員。研究方向：船舶設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：謝云平(1964—)，男，研究員，研究方向?yàn)榇霸O(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-10-19