雙體交通運維船有限元強度分析

羊 衛(wèi)，趙 園，陸響輝

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

0 引言

海上風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源開發(fā)的重要方向之一，已經(jīng)成為深遠海智能海洋牧場、超大型海上浮式基地建設(shè)和海上石油鉆探等海上重大項目重點研究的能源供給方式之一。目前，海上風(fēng)電已成為全球關(guān)注的焦點。我國沿海風(fēng)能資源開發(fā)潛力較大，為加快海上風(fēng)電的發(fā)展，部分沿海地區(qū)海上風(fēng)電場已投入運營[1]。隨著海上風(fēng)電場運營數(shù)量的不斷增加，專門用于其日常維護工作的運維船需求量將出現(xiàn)逐年遞增的趨勢。

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電運維船以專業(yè)雙體運維船最為適用。該型船具有甲板面積大、布置寬敞、穩(wěn)性好、吃水淺、航速較高，能承受較大風(fēng)浪能力等特點，可確保運維工作順利實施和保障海上作業(yè)人員的安全，同時雙體船還具備操控性良好、使用可靠、維修方便等特點，可保證海上風(fēng)電運維工作能高效完成并降低海上風(fēng)電廠的日常運營成本[2]。本文研究的37 m雙體交通運維船主要承擔(dān)海上風(fēng)電日常巡查、維護、交通等工作。該船結(jié)構(gòu)主體部分包括：兩個瘦長型的平行片體(單體船)以及抗扭箱和連接橋，后者布置在兩片體上部中間，將兩個片體通過焊接等方式牢固地連接在一起，起到“扁擔(dān)”效應(yīng)。相比于單體船，雙體船的船長型深比很小，船體具有足夠的總縱強度和剛度，因而其縱向承載能力具備一定的儲備。一般對于船長小于50 m的雙體船可以不進行總縱強度校核[3]，但當(dāng)雙體船遭受90°浪向角和45°或135°斜浪時，兩片體之間的連接橋?qū)惺茌^大的總橫力矩和扭轉(zhuǎn)力矩載荷。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須充分考慮整船尤其是連接橋結(jié)構(gòu)的總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度，以保證雙體船總強度達到規(guī)范及設(shè)計的要求。

本文基于有限元分析方法，對雙體交通運維船進行總強度分析計算。根據(jù)規(guī)范[4]中相關(guān)要求，通過設(shè)計波法，采用SESAM水動力軟件計算出雙體船總橫彎矩和扭轉(zhuǎn)力矩的長期預(yù)報值，計及其他相關(guān)載荷，對本船總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度開展分析。通過分析本船整船的應(yīng)力分布情況，對雙體船結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出建議，為船體輕量化和局部結(jié)構(gòu)加強提供有益參考。

1 主要參數(shù)及有限元模型建立

1.1 主要參數(shù)介紹

37 m雙體交通運維船為雙機、雙槳、雙舵型雙體船，其參數(shù)為：垂線間長37.2 m，型寬10.4 m，片體寬3.2 m，型深3.8 m，設(shè)計吃水1.8 m，肋距0.5 m，梁拱0.1 m，設(shè)計航速15 kn，航區(qū)為近海航區(qū)。本船主要建造材料為CCSA鋼，采用橫骨架式建造，兩單船體之間的抗扭箱和連接橋結(jié)構(gòu)也采用橫骨架式。

CCSA鋼參數(shù)為：密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，屈服強度235 MPa，彈性模量2.06×105MPa。

1.2 船體濕表面及整體結(jié)構(gòu)有限元模型

采用MSC.Patran完成整船有限元模型的構(gòu)建，其中采用三角形單元、四邊形單元來模擬甲板、舷側(cè)板、船底板、船體縱桁腹板、艙壁板、連接橋甲板、連接橋抗扭箱底板、連接橋橫隔板等殼板結(jié)構(gòu)，采用梁單元來模擬縱向骨材、加強筋、桁材面板等。37 m雙體交通運維船有限元模型包括主甲板以下整船結(jié)構(gòu)。按右手坐標(biāo)系法則建立坐標(biāo)系，其原點位于兩片體艉封板連線中點基線處。整船有限元模型總節(jié)點個數(shù)為32 659，單元個數(shù)為46 719。整船有限元模型如圖1所示。

圖1 整船有限元模型

2 邊界條件及載荷工況

2.1 邊界條件

根據(jù)規(guī)范[4]，采用的邊界條件如圖2所示。在連接橋上甲板中縱剖面上取艏、艉部點A和點B，片體中部點C，對A點約束X、Y、Z三個位移分量，對B點的Y、Z位移分量進行限定，對C點的Z向位移進行約束。

圖2 總體模型施加的約束條件

2.2 計算工況及載荷施加

按照規(guī)范要求，本船計算工況主要分為兩個：滿載出水時總橫強度計算工況(波浪的浪向角為90°)和滿載出水時扭轉(zhuǎn)強度計算工況(波浪的浪向角為45°或135°)。每個計算工況包括的載荷有：船員及行李重量、舷外靜水壓力、艙內(nèi)淡水、燃油等液體壓力及總橫彎矩或扭轉(zhuǎn)彎矩。

2.2.1船員及行李重量

船員及行李重量按船員主要活動區(qū)域，對該重量進行均布近似處理。

2.2.2靜水壓力

舷外靜水壓力在船長方向以梯形分布，可根據(jù)艏、艉吃水位置來確定液面位置；在吃水垂直方向靜水壓力以三角形梯度變化。艙內(nèi)淡水、燃油等靜水壓力在吃水方向也呈線性變化規(guī)律，在有限元模型上加載時以壓力場形式完成液壓載荷的施加。

2.2.3總橫彎矩及橫向?qū)﹂_力計算

當(dāng)波浪為橫浪(浪向角為90°)時，雙體船將承受橫向彎曲載荷作用，在連接橋上將產(chǎn)生較大的橫向彎矩。根據(jù)規(guī)范[4]，連接橋的總橫彎矩可采取等效載荷施加的方式進行，即通過沿片體橫向強框架的中縱剖線上的節(jié)點來施加等效后的橫向?qū)﹂_力，其中橫向?qū)﹂_力fy按式(1)進行等效計算：

(1)

式中：Mbx為總橫彎矩；Z為橫向?qū)﹂_力作用點到連接橋中縱剖面中和軸的垂向距離；n1為包括橫艙壁在內(nèi)的橫向強框架個數(shù)之和。

2.2.4扭轉(zhuǎn)彎矩及反對稱垂向均布力計算

當(dāng)波浪為斜浪(浪向角為45°或135°)時，雙體船兩片體發(fā)生不同步縱搖，使船產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。根據(jù)規(guī)范[4]，雙體船扭轉(zhuǎn)力矩也可采取等效載荷來施加，即將扭轉(zhuǎn)力矩等效為反對稱分布在片體中縱剖面內(nèi)的垂向均布力，垂向均布等效力關(guān)于雙體船中縱剖面反對稱，也關(guān)于中橫剖面反對稱，等效的垂向分布載荷pz由式(2)計算：

(2)

式中：Mty為扭轉(zhuǎn)彎矩；L為雙體船船長；n2為片體中前部或中后部所需施加的節(jié)點個數(shù)之和。

2.3 總橫彎矩和扭轉(zhuǎn)彎矩等效載荷施加

總橫彎矩和扭轉(zhuǎn)彎矩等效加載的關(guān)鍵是計算確定Mbx和Mty的值，可根據(jù)文獻[5]提供的經(jīng)驗公式計算確定，也可根據(jù)設(shè)計波法計算得到橫浪或斜浪下總橫彎矩或扭轉(zhuǎn)力矩的長期預(yù)報值。本文采用第二種方法完成式(1)和式(2)中的彎矩計算過程。

2.3.1設(shè)計波參數(shù)確定

根據(jù)規(guī)范[4]，波浪載荷可采用設(shè)計波法來計算，應(yīng)用SESAM水動力軟件的HydroD(WADAM)模塊分別計算90°、45°和135°浪向下的波浪彎矩的RAO(傳遞函數(shù))。圖3為本船橫向彎矩和扭轉(zhuǎn)彎矩的傳遞函數(shù)。

獲取了橫向彎矩和扭轉(zhuǎn)彎矩載荷的RAO后，就可以對相應(yīng)的載荷進行長期預(yù)報。根據(jù)挪威船級社提供的北大西洋波浪散布圖，利用相應(yīng)的RAO，依據(jù)P-M波浪譜來模擬散布圖，運用二維韋布爾分布來擬合長期分布，最終對本船所受的兩個彎矩載荷分別進行長期預(yù)報。應(yīng)用SESAM中的Postresp模塊，便可計算出相應(yīng)波浪載荷的長期預(yù)報值，其結(jié)果見表1。

圖3 按設(shè)計波計算的波浪彎矩的RAO

表1 長期預(yù)報所得結(jié)果

從表1分析可知，當(dāng)浪向角為45°時雙體船所受的扭轉(zhuǎn)力矩較大，確定橫向彎矩Mbx=3.08×106N·m，扭轉(zhuǎn)彎矩Mty=5.75×105N·m。

2.3.2等效載荷施加

根據(jù)所建立的整船模型，可確定式(1)中Z=3.95 m，n1=22，將其與橫向彎矩Mbx代入式(1)中，可求得對開力fy的值；將扭轉(zhuǎn)彎矩Mty、船長L、片體中前部節(jié)點個數(shù)77或片體中后部節(jié)點個數(shù)67代入式(2)中，可求得總橫扭矩作用下的等效反對稱垂向均布力。

3 計算結(jié)果匯總

將液壓載荷、90°橫浪及45°斜浪動壓力產(chǎn)生的波浪彎矩和整船運動的慣性力施加到整個雙體船有限元模型上，運用MSC.Nastran分析軟件便可求得整船應(yīng)力分布結(jié)果。

本文根據(jù)規(guī)范[4]確定本船所用CCSA鋼的許用應(yīng)力值，即等效應(yīng)力許用值為200 MPa，剪切應(yīng)力許用值為90 MPa。雙體交通運維船結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果見表2。本船整船結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖、整體變形圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 整船等效應(yīng)力云圖

圖5 整船變形云圖

表2結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果匯總表MPa

計算工況橫彎扭轉(zhuǎn)等效應(yīng)力剪切應(yīng)力等效應(yīng)力剪切應(yīng)力校核結(jié)果片體甲板90.918.3滿足片體外板65.921.1滿足片體縱向構(gòu)件62.732.514.86.95滿足片體橫艙壁184.077.136.814.10滿足片體橫框架161.072.324.810.10滿足連接橋甲板106.026.3滿足連接橋抗扭箱底板184.037.3滿足連接橋縱向構(gòu)件42.923.291.523.00滿足連接橋橫向構(gòu)件183.030.687.212.50滿足

4 結(jié)論

(1)根據(jù)表2中的應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)可知，本船的總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度滿足規(guī)范要求。

(2)在斜浪45°浪向角作用下，雙體船主要受扭轉(zhuǎn)力矩的作用。根據(jù)整船應(yīng)力云圖和變形云圖可知，連接橋縱向構(gòu)件和橫向構(gòu)件是主要受力構(gòu)件。此外，連接橋與兩片體相交接附近區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)也較其他部位大。在橫浪即90°浪向角作用下，連接橋橫向構(gòu)件與片體橫向強構(gòu)件如橫艙壁和橫框架產(chǎn)生的應(yīng)力響應(yīng)較其他區(qū)域大，最大應(yīng)力達到了184 MPa。

(3)對比橫浪和45°斜浪作用下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果可知，雙體船在橫浪工況下比較

危險，即雙體船總橫強度在船體設(shè)計時應(yīng)作充分的考慮；而在斜浪作用下，雙體船受扭轉(zhuǎn)力矩的影響較小，說明本船具有較富余的扭轉(zhuǎn)強度。

(4)綜上分析可知：連接橋與片體相銜接附近區(qū)域的構(gòu)件如橫梁、梁肘板、抗扭箱橫構(gòu)件及靠近片體艏、艉部區(qū)域均受到較大應(yīng)力，且變形也較大，因此對于該區(qū)域的構(gòu)件應(yīng)采取加厚加強處理。而片體中靠近船中部分的構(gòu)件的應(yīng)力和變形較小，因此在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計時可恰當(dāng)協(xié)調(diào)片體中部區(qū)域構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計要求。

參考文獻：

[1] 楊程. 淺析海上風(fēng)電運維船的發(fā)展[J].海峽科學(xué), 2016(12):78-80.

[2] 周華. 海上風(fēng)電運維之風(fēng)電運維船[J].風(fēng)能產(chǎn)業(yè)，2017(9)：36-39.

[3] 胡犇, 許晟, 梅國輝,等. 基于Patran的高速小水線面雙體船有限元結(jié)構(gòu)強度分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(10):46-49.

[4] 中國船級社. 國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

[5] 中國船級社．海上高速船入級與建造規(guī)范[M]．北京：人民交通出版社，2012.