風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

李志杰，夏利娟（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上?！?00240）

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風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

李志杰1,2，夏利娟1,2
（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

摘要:風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁是用于海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸?shù)暮Ｑ蠊こ梯o助船，近年來隨著海上風(fēng)力發(fā)電的興起而迅速發(fā)展。本文采用全船有限元直接計(jì)算和 CCS 規(guī)范計(jì)算2種方法對某風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評估，計(jì)算表明該船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。本文的研究成果和結(jié)論對同類型風(fēng)電安裝船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁；直接計(jì)算；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

0　引　言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，其發(fā)電成本穩(wěn)定，沒有碳排放等環(huán)境成本，在全球范圍內(nèi)分布廣泛。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界新能源發(fā)展的熱點(diǎn)，與海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸和安裝相關(guān)的設(shè)備需求也已開始顯現(xiàn)[1-3]。海上風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)輸和吊裝可以采用大型浮吊及駁船的組合來完成[4]，而運(yùn)輸甲板駁船的型線規(guī)則，船體肥大，在波浪中的運(yùn)動幅值與受力較大；同時(shí)較多的甲板設(shè)備引起較大的甲板荷載，故而其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值得關(guān)注。

本文以 92 m 限載2臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸甲板駁為研究對象，采用全船有限元直接計(jì)算和 CCS 規(guī)范計(jì)算2種方法對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算評估。全船有限元計(jì)算采用DNV 船級社開發(fā)的 SESAM 綜合軟件系統(tǒng)對其滿載到港和壓載到港2種典型作業(yè)工況下的波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)[5]，進(jìn)而進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；規(guī)范計(jì)算依照 CCS《鋼制海船入級規(guī)范》[6]2014 版中超尺度船舶的校核方法進(jìn)行。

1　船型及結(jié)構(gòu)形式

1.1主要參數(shù)

本文海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁主船體為駁船箱型船體，主體部分有較長的平行中體，船寬較大；運(yùn)輸聯(lián)合動力風(fēng)機(jī)組時(shí)，主甲板船中處安裝有風(fēng)機(jī)底座，同時(shí)兩舷側(cè)分別安裝井架并以平衡梁的方式固定風(fēng)機(jī)，如圖1 所示。其主要參數(shù)如下：

船長 92.0 m；船寬 39.52 m；

型寬 5.50 m；設(shè)計(jì)吃水 3.80 m；

縱骨間距 0.52 m

圖1　風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁總布置圖Fig. 1　The general arrangement of the deck bargewith offshore wind turbine

1.2船體結(jié)構(gòu)形式

該船是單甲板、單底、縱骨架式鋼制海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁。在 FR 12 及 FR 36 處甲板中部放置風(fēng)機(jī)，主甲板以下主船體結(jié)構(gòu)均設(shè)置圓柱形筒體結(jié)構(gòu)，并通過一平臺與船底連接，以增強(qiáng)主船體結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度； FR 36 向前左右舷各設(shè)置 6 個(gè)壓載水艙， FR 36向后船中設(shè)置 3 個(gè)壓載水艙，以保證不同工況下的穩(wěn)性。

1）縱向主要構(gòu)件：縱中剖面設(shè)有艙壁，同時(shí)，F(xiàn)R 0～FR 30 左右舷各設(shè)2道水密縱艙壁；甲板、船底居中每隔 5 倍縱骨間距設(shè)置縱桁；

2）橫向主要構(gòu)件：FR 6～FR 42 每隔 6 檔肋位設(shè)橫艙壁；除去首尾部分肋位，全船每隔 1.8 m 設(shè)置強(qiáng)框架。

2　全船有限元直接計(jì)算

2.1波浪載荷計(jì)算

本文波浪載荷的計(jì)算采用 Sesam 軟件中基于三維線性波浪理論的船體波浪動壓力 WADAM 計(jì)算模塊，波浪誘導(dǎo)載荷的預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)分析采用 Postresp 模塊。

2.1.1有限元模型的建立

濕表面模型、質(zhì)量模型的建立采用 PatranPre 模塊，分別以裝載甲板貨滿載到港（工況 Ⅰ）和裝載2臺風(fēng)機(jī)壓載到港（工況 Ⅱ）2種裝載狀態(tài)作為計(jì)算工況，具體數(shù)據(jù)如表 1 所示。

濕表面模型主要以四邊形板單元建立，板單元大小以縱骨間距和肋距為基準(zhǔn)，局部曲度變化較大的地方用少量三角形單元模擬。從而保證濕表面模型能夠在水動力學(xué)意義上準(zhǔn)確描述實(shí)船的形狀。

表1　計(jì)算工況Tab. 1　Load cases

對于質(zhì)量模型，采用四邊形和少量的三角形單元模擬船體結(jié)構(gòu)中的各類板材以及主要構(gòu)件的腹板；次要構(gòu)件以及主要構(gòu)件的面板采用梁單元模擬。甲板上設(shè)備采用質(zhì)量點(diǎn)的方法以多點(diǎn)約束 MPC 的形式與船體結(jié)構(gòu)連接；貨油、燃油以及壓載水通過質(zhì)量點(diǎn)施加到相應(yīng)艙室邊界節(jié)點(diǎn)上；甲板貨物以及風(fēng)機(jī)、井架、風(fēng)機(jī)底座、連接裝置以及平衡梁采用較密的虛梁模擬[7]。以此來保證質(zhì)量模型能正確反應(yīng)實(shí)船的質(zhì)量及分布，以調(diào)節(jié)局部密度的方法來確保與實(shí)船質(zhì)量誤差小于 0.1%，重心位置誤差小于船長的 0.1%。具體的模型建立，參照對應(yīng)工況裝載手冊確定。

采用右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于 FR 26 各工況相應(yīng)吃水縱中剖面處，X 軸向船首為正方向，Y 軸向左舷為正方向，Z 軸向上為正方向。全船結(jié)構(gòu)的濕表面模型和質(zhì)量模型如圖2 所示。

2.1.2波浪載荷的預(yù)報(bào)

計(jì)算作用于船體的波浪載荷常用的方法是譜分析法，即將波浪對船體的作用作為船體波浪響應(yīng)系統(tǒng)的輸入，而船體的波浪載荷以及六自由度運(yùn)動作為系統(tǒng)的輸出。對應(yīng)于每種輸入輸出，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)。將傳遞函數(shù)和實(shí)際海況波浪譜結(jié)合，得到船體載荷譜，即可得到船體受到波浪載荷的長期和短期預(yù)報(bào)值[8]。

本文水動力計(jì)算所取的波浪頻率位于 0 . 1 rad/s～2.0 rad/s 之間，間隔 0.1 rad/s，共 20 個(gè)頻率。浪向位于 0°～180° 之間，間隔 15°，共 13 個(gè)浪向，其中180° 為迎浪方向。選取自船尾至船首 FR 13，F(xiàn)R 18，F(xiàn)R 26，F(xiàn)R 30，F(xiàn)R 39 共計(jì) 5 個(gè)剖面，對各個(gè)剖面的波浪彎矩和波浪剪力進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1）滿載到港長期預(yù)報(bào)

船舶滿載運(yùn)輸貨物時(shí)，采用長期預(yù)報(bào)，建立該工況的質(zhì)量模型，選取北大西洋波浪散布圖，采用 P –M 波浪譜，指定所有浪向等概率，取 10–8 概率水平進(jìn)行長期預(yù)報(bào)。不同剖面長期預(yù)報(bào)的彎矩和剪力值見表 2， FR 26 剖面的長期預(yù)報(bào)值如圖3 所示。

表2　工況 Ⅰ 波浪彎矩和剪力預(yù)報(bào)值Tab. 2　Prediction of wave bending moment and shear force under load caseⅠ

圖3　FR 26 剖面波浪彎矩長期預(yù)報(bào)值Fig. 3　Long-term prediction of wave bending moment of FR26

2）壓載到港短期預(yù)報(bào)

運(yùn)載風(fēng)機(jī)時(shí)，航行海域不是很惡劣，且為遮蔽航區(qū)，航行時(shí)段能夠得到控制，選擇短期預(yù)報(bào)。不同剖面短期預(yù)報(bào)的彎矩和剪力值見表 3，各浪向波浪彎矩短期預(yù)報(bào)如圖4 所示。

表3　工況 Ⅱ 波浪彎矩和剪力預(yù)報(bào)值Tab. 3　Prediction of wave bending moment and shear force for load case Ⅱ

圖4　工況 Ⅱ 各浪向波浪彎矩預(yù)報(bào)Fig. 4　Prediction of wave bending moment from different wave directions under load caseⅡ

2.2計(jì)算結(jié)果

依據(jù)傳遞函數(shù)預(yù)報(bào)，以船中處的垂向彎矩為控制載荷，得到最不利波浪，進(jìn)而確定設(shè)計(jì)波參數(shù)。利用Sesam 軟件的 Sestra 模塊對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力以及變形計(jì)算，再用 Xtract 模塊可視化，甲板和船底最大Vonmises 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表 4 所示，舷側(cè)外板和縱艙壁板剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表 5 所示，工況 Ⅰ 應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

3　規(guī)范計(jì)算

3.1波浪載荷計(jì)算

依照 CCS《鋼制海船入級規(guī)范》2014 版[4]超尺度船舶強(qiáng)度校核的規(guī)定，波浪載荷可以通過對基于線性波浪理論計(jì)算的波浪彎矩和波浪剪力進(jìn)行非線性修正得到。

文中 2.1 波浪載荷計(jì)算的濕表面模型網(wǎng)格的數(shù)量為3 569，質(zhì)量模型與實(shí)船質(zhì)量誤差小于 0.1%，重心位置的誤差小于船長的 0.1%，均符合規(guī)范中的基本要求。故而規(guī)范計(jì)算的波浪載荷可參照 2.1 中計(jì)算結(jié)果，直接進(jìn)行非線性修正即可。

表4　直接計(jì)算最大 Vonmises 應(yīng)力結(jié)果/MPaTab. 4　The maximal vonmises stress result from direct calculation/Mpa

表5　直接計(jì)算最大剪應(yīng)力結(jié)果/MPaTab. 5　The maximal shear stress result from direct calculation/Mpa

圖5　工況 Ⅰ 直接計(jì)算結(jié)果Fig. 5　The result from direct calculation for load caseⅠ

3.1.1波浪彎矩的計(jì)算

中拱波浪彎矩 MW（+）和中垂波浪彎矩 MW（–）應(yīng)按照下列公式計(jì)算：

式中：MW,cal基于線性波浪理論直接計(jì)算得到的，在 0.4 L～0.6 L 之間垂向波浪彎矩的最大值；M 參照規(guī)范選取的彎矩沿船長分布系數(shù)；fnl-h，fnl-s非線性修正系數(shù)。

波浪彎矩的計(jì)算結(jié)果如表 6 所示。

表6　規(guī)范波浪彎矩計(jì)算值Tab. 6　Wave bending moment from specificationapproach method

3.1.2波浪剪力的計(jì)算

中拱波浪剪力 FW（+）和中垂波浪剪力 FW（–）應(yīng)按下列各式計(jì)算：

式中： Fnl,1， Fnl,2為考慮非線性修正后剪力沿船長方向的分布系數(shù)； FWV,max應(yīng)按下式計(jì)算：

其中， FWV,CAL,A為 x/L ＜ 0.5 各剖面的波浪剪力直接計(jì)算值， kN； FWV,CAL,F為 x/L ≥ 0.5 各剖面的波浪剪力直接計(jì)算值， kN。

波浪剪力的計(jì)算結(jié)果如表 7 所示。

3.2計(jì)算結(jié)果

總縱彎曲應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：MS為靜水彎矩，kN·m；MW為波浪彎矩，kN·m；WC為計(jì)算點(diǎn)處的剖面模數(shù)， cm3。

表7　規(guī)范波浪剪力計(jì)算值Tab. 7　Wave shear force from specificationapproach method

總縱剪切應(yīng)力按下式計(jì)算:

式中：FS為靜水剪力，kN；FW為波浪剪力，kN；S 為中和軸以上靜矩，cm3；I 為水平中和軸的慣性矩，cm4；δ 為參照規(guī)范定義的系數(shù)。其中，靜水彎矩采用Napa 軟件獲得，各剖面的剖面慣性矩采用中國船級社的 Compass 軟件計(jì)算。各剖面的計(jì)算結(jié)果如表 8 和表9 所示，σd和 σb分別表示甲板處和龍骨處的總縱彎曲應(yīng)力。

表8　總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果/MPaTab. 8　The result of longitudinal bending stress/Mpa

表9　總縱剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果/MPaTab. 9　The result of longitudinal shear stress/Mpa

4　強(qiáng)度校核及結(jié)果分析

4.1強(qiáng)度校核

按照規(guī)范，本船船體梁的許用彎曲應(yīng)力和許用剪切應(yīng)力按照下述要求確定：

船中 0.4 L 區(qū)域

船端 0.1 L 區(qū)域

其余區(qū)域用線性內(nèi)插法求得。

其中 K 為材料系數(shù)，本船取 1。

全船有限元直接和規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果均小于規(guī)范規(guī)定的許用值，故該船能夠滿足強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

4.2結(jié)果分析

依據(jù)全船有限元直接計(jì)算及規(guī)范計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）直接計(jì)算表明，工況 Ⅰ 船底板處彎曲應(yīng)力較甲板板處大，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在 FR 32 距中 18.2 m處，此處為船底縱桁與船底縱骨的交界處，即結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)變化的位置。此外，在船底外板的縱艙壁間斷處（FR 30 距中 11.2 m）也出現(xiàn)了較大應(yīng)力?？梢?，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分關(guān)注構(gòu)件尤其是縱向構(gòu)件的連續(xù)和漸變性，否則很可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象；

2）直接計(jì)算中，工況 Ⅱ 為遮蔽航區(qū)，雖然與工況 Ⅰ 相比，海浪環(huán)境較好，但甲板局部應(yīng)力值依然比工況 Ⅰ 大，尤其在風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)井架的部位，風(fēng)機(jī)設(shè)備的慣性載荷影響較為明顯?？梢姡装暹\(yùn)輸船舶在運(yùn)輸特殊的工程配套設(shè)備時(shí)，對其進(jìn)行強(qiáng)度分析的必要性；

3）除去直接計(jì)算中局部載荷的影響，船底板應(yīng)力值均高于甲板板，與規(guī)范計(jì)算結(jié)果趨勢一致；

4）分析比較2種方法的計(jì)算結(jié)果可知，全船有限元直接計(jì)算可以反映全船結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，但計(jì)算工作量大；規(guī)范計(jì)算雖然僅能反映計(jì)算剖面處的應(yīng)力分布，但由于在相同區(qū)域的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與全船直接計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，因此，只要選取足夠的典型剖面，完全可以替代全船有限元直接計(jì)算，從而大大減少計(jì)算成本。

5　結(jié)　語

風(fēng)電安裝甲板駁運(yùn)輸船的應(yīng)用越來越廣泛，船舶設(shè)計(jì)規(guī)范已不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，特別是在運(yùn)輸特殊的工程配套設(shè)備時(shí)，更要對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。本文采用全船有限元直接計(jì)算和規(guī)范計(jì)算2種方法對一風(fēng)機(jī)運(yùn)輸甲板駁強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析方法和結(jié)果對此類船舶的總強(qiáng)度校核有較好的參考意義。

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Research on structure strength evaluation of deck barge with offshore wind turbine

LI Zhi-jie1,2, XIA Li-juan1,2
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

Abstract:The deck barge with offshore wind turbine is a type of ocean engineering auxiliary vessel with carriage functions for offshore wind turbine. With the emergence of offshore wind power,the development of this kind of engineering vessels have boomed in recent years.In this paper, direct calculation of the whole ship and specification approach method according to the CCS rule were used to evaluate the structure strength of one deck barge with offshore wind turbine. The results show that the strength of the barge fulfills the requirements demanded. The main research results of this paper are helpful for structural design of similar vessels.

Key words:deck barge with offshore wind turbine；direct calculation；structure strength

作者簡介：李志杰(1990–)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動力學(xué)分析。

收稿日期：2015–08–17； 修回日期：2015–09–06.

文章編號：1672–7619(2016)03–0031–06

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.007

中圖分類號：U674.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：