風電安裝船坐底強度有限元計算

閆方超，郭 婷，關 婕

(1.上海佳豪船海工程研究設計有限公司，上海 201600；2.大連船舶重工集團有限公司， 遼寧 大連 116000)

0 引言

風電安裝船作為一種新型的海上工作船，有效地緩解了海上風機運輸和安裝困難的問題。隨著多國將“綠色能源轉(zhuǎn)型”設定為未來經(jīng)濟發(fā)展的重點，在建及待建的海上風電項目數(shù)量驟然增加，讓海上風電施工船市場一時措手不及。受其影響，具有風電安裝能力的工程船“一船難求”。為了滿足風電市場需求，包括風電安裝、運維等，可以通過改造半潛駁的方式建造風電安裝工程船，不但可以使船舶增加新的功能，提高船舶綜合利用率，同時大大減少建造周期和建造成本，使得經(jīng)濟效益最大化。

廣義上來講，具有坐底功能的船舶規(guī)范存在于海洋工程平臺，所以目前國內(nèi)船級社對于船舶坐底計算沒有完整的相關規(guī)范衡準。為了滿足當前規(guī)范要求的情況下使該船具有坐底作業(yè)功能，則需得到“★CSA Submersible Offshore wind Turbine”的船級符號，從而需要參照《海上移動平臺入級規(guī)范》(2020)對船舶結構坐底強度作直接計算及評估。

本文利用MSC-Patran/Nastran軟件對“鐵建潛01”坐底式風電安裝改裝船建立有限元模型并進行坐底強度計算分析，以滿足目前規(guī)范要求。

1 結構改造

1.1 改造內(nèi)容

本項目改造船為一艘非自航半潛甲板駁。為適應海上風電施工現(xiàn)場的風機安裝需要，擬在本船上新增2臺起重機和1個工作平臺，并對原船進行適當?shù)母脑?。改造后，本船能滿足近海航區(qū)風機起吊安裝作業(yè)要求，且仍具有半潛作業(yè)的功能。為滿足改裝船的功能，船體結構的主要改造內(nèi)容如下：

(1)本次改建船主尺度維持不變，船型改為半潛駁船兼起重船船型，屬于船舶重大改建。

(2)在船首部靠左舷舉升甲板以上增設起重能力為6 000 kN的海工吊。該起重機作為本船起吊安裝風機的主起重機。

(3)在船尾右舷尾塔樓頂甲板以上增設起重能力為8 00 kN的海工吊，該起重機將作為本船安裝風機的輔助起重機。

為滿足坐底工況的作業(yè)條件，對改裝后的船舶結構進行坐底強度計算校核，從而滿足中國船級社(CCS)《海上移動平臺入級規(guī)范》(2020)的相關規(guī)范要求。

1.2 坐底作業(yè)工況

(1)干坐底工況。作業(yè)區(qū)域若有顯著的漲退潮現(xiàn)象，在退潮期間，自然水深可下降至0時，導致船舶處于無水坐灘狀態(tài)，稱為干坐底工況。

(2)吃水坐底工況。由于海區(qū)的海底地質(zhì)條件，泥面淺層為粉砂成分，極易在水流作用下產(chǎn)生物理遷移，進而導致海底與船底的接觸條件發(fā)生改變。具體而言，當水流因船舶的存在產(chǎn)生繞射時，將帶起海底泥沙的流動，產(chǎn)生船舶周界的掏空現(xiàn)象，實質(zhì)減小了海底對船舶的支撐面積，導致船舶結構構件受力狀態(tài)變化，嚴重時可導致船舶構件開裂破壞甚至船體梁斷裂，這種工況稱為吃水坐底工況。結構強度主要是由退潮水及沖刷現(xiàn)象對船體作業(yè)安全及結構安全造成的危險影響。

本文對本船坐底作業(yè)強度計算的假定如下：

(1)作業(yè)區(qū)域海底平整，無堅硬的突出物，如巖石等，假設海船為硬地不可壓。

(2)坐底時，海水沖刷導致海床接觸面靠近船舷位置有掏空現(xiàn)象，水流導致船底附近泥沙掏空區(qū)域的面積不超過20%。

(3)海底極限掏空區(qū)域與非掏空區(qū)域的交界線為直線。

(4)海床平面平整，坐底作業(yè)時船舶不發(fā)生滑移及海床不發(fā)生下沉，船體在海床坐底不入；船體無原始縱、橫傾，平坐在海底。

2 有限元計算

2.1 有限元模型

本文采用MSC-Patran/Nastran有限元軟件進行建模分析。三維有限元模型包括了船體各主要構件，如：甲板結構、艙壁結構及縱向、橫向和垂向的桁材結構。計算模型的甲板板、艙壁板、桁材腹板等均模擬為4節(jié)點或3節(jié)點板單元；普通橫梁、縱骨、桁材面板及撐桿等均模擬為2節(jié)點梁單元。整船計算分析模型見圖1。本船為風電安裝而進行的結構改造部分見圖2。

圖1 有限元計算模型

圖2 新增工裝平臺(改裝部分)

2.2 環(huán)境載荷

在船舶坐底計算中，要充分考慮船舶自身及環(huán)境載荷對船體坐底作業(yè)帶來的可能影響。根據(jù)經(jīng)驗，主要考慮作業(yè)工況裝載載荷、起重機載荷等主要環(huán)境載荷。

不同的裝載工況決定了不同的壓載水布置，從而影響對應作業(yè)工況下全船的質(zhì)量分布。根據(jù)裝載狀態(tài)，本船坐底工況主要為坐底起重工況，又分為干坐底工況和吃水坐底工況。本文選取典型的起重工況進行校核，即對干坐底起重工況、12 m吃水坐底起重工況和18 m坐底起重工況進行主船體結構強度分析計算。

在本船尾部左舷平臺甲板布置1臺固定尾吊6 000 kN全回轉(zhuǎn)重型起重機，其示意圖見圖3。根據(jù)技術方案要求，本船改造方案主起重機坐底按照3 500 kN設計。根據(jù)起重機廠家提供的技術資料，在舉升甲板以上2 m位置的表面負載為：軸向力=17 520 kN，傾覆力矩=224 308 kN·m，回轉(zhuǎn)力矩=15 585 kN·m，徑向力=838 kN。

圖3 起重機示意圖(單位：mm)

自重載荷包括本船自重、不同計算工況下油水等裝載重量及相關設備重量。12 m吃水坐底工況下船體承受對應水深的靜水壓力載荷云圖見圖4。

圖4 12 m靜水壓力云圖(單位：MPa)

除去主起重機、輔起重機、甲板機械設備等重量外，本次計算需要同時考慮在作業(yè)時風機平臺上的質(zhì)量。風機平臺主要用于存放風機葉片、輪轂、塔筒、機艙部件，這些部件通過質(zhì)量點模擬施加。

根據(jù)《海上移動平臺入級規(guī)范》(2020)的相關要求，受到水流沖刷的影響，坐底面積按最不利的情況損失率為20%來計算，包絡艏部及艉部。在本船坐底強度分析中共計算16種船底掏空工況。圖5為艏部區(qū)域掏空的5種計算工況示意圖。

根據(jù)船底掏空方式，有限元各計算工況邊界條件設置在船底非掏空的坐底區(qū)域。

圖5 艏部區(qū)域掏空計算工況示意圖

為更加真實模擬海底接觸情況，在坐底接觸面的海床邊界采用垂向線彈簧進行模擬。彈簧剛度值按照以下方法計算：

=

式中：為第幾基床系數(shù)，kN/m；為線彈簧模型單位承載面積，m；為安全系數(shù)，取1.1～1.2。

在約束區(qū)域彈簧上端采用約束節(jié)點、方向線位移，下端采用約束節(jié)點方向線位移。

另外，考慮到坐底工況一般均為超壓工況，超壓重量位于船體首位塔樓，且對于船中區(qū)域坐底工況的假定條件之一是海船為硬地不可壓。為更加接近實際情況模擬，需提高船中區(qū)域的約束彈簧剛度。

2.3 計算工況

本船坐底強度分析主要包括3種坐底工況：干坐底起重工況、10 m吃水坐底起重工況、坐底自存工況。每種坐底工況分別涵蓋了8種起重機吊臂角度位置16種船底掏空情況，總共組合出387個有限元計算校核工況(384個掏空情況下子工況，3個非掏空情況下的子工況)。

2.4 強度衡準

參考《海上移動平臺入級規(guī)范》(2020)的相關規(guī)定，板單元許用應力[]為

[]=/

式中：為板單元應力，MPa；為安全系數(shù)，對于板單元，=1.43。

基于上述的載荷加載及約束條件對全船進行強度分析計算，并在滿足上述衡準的要求下對船體結構進行加強。本船原船為普通鋼(MS)，許用應力[]=170 MPa；本船新增改造區(qū)域均使用高強度鋼(AH36)，許用應力為[]=248 MPa。

3 計算結果分析

各個工況計算后所有工況的板單元應力的包絡應力值云圖見圖6。

圖6 板單元合成應力分布(單位：MPa)

由于計算工況過多，在后處理時對每個計算工況的計算結果進行了包絡處理，取各個計算工況最大值進行顯示，見表1。

表1 計算結果統(tǒng)計 單位：MPa

根據(jù)以上坐底作業(yè)工況有限元強度計算分析，得出以下結論：

(1)計算結果顯示：本船3種坐底工況中，干坐底起重工況下結構應力水平相對較高；對于原船普通鋼，最大單元合成應力的典型工況為起重機45°起吊、艏部45°掏空的計算工況，見圖7；對于高強度鋼(AH36)，最大應力工況則出現(xiàn)在起重機35°起吊、船底左舷60°掏空的計算工況下，見圖8；其他吃水坐底工況應力水平接近。對于起重機舷側(cè)的掏空工況需要重點關注，屬于高應力計算工況。

圖7 干坐底起重普通鋼危險工況的應力云圖(單位：MPa)

圖8 干坐底起重高強度鋼危險工況的應力云圖(單位：MPa)

(2)坐底作業(yè)工況計算中，需要重點考慮船體橫縱艙壁、縱行、船底板等區(qū)域的應力水平，尤其是掏空約束附近。

(3)對于坐底掏空區(qū)域約束附近區(qū)域的加強，需要考慮掏空面積多角度的變化帶來的加強區(qū)域的變化，加強區(qū)域要覆蓋整個約束附近區(qū)域。本次計算因坐底作業(yè)對原船進行的改造加強區(qū)域示意圖見圖9。

4 結論

(1)通過對本船坐底起重工況進行有限元建模計算，本船坐底作業(yè)在本文設定的載荷工況及掏空情況下結構強度滿足《海上移動平臺入級規(guī)范》(2020)要求。

(2)為保證船舶的作業(yè)安全，在實際坐底過程中，首先要確定海底實際情況，盡量避免海底本身的凹坑等危險海底地形。

圖9 高強度鋼(AH36)的應力云圖(單位：MPa)

(3)在船舶坐底作業(yè)時，操作人員必須密切關注作業(yè)時船舶結構的應力變化或者變形情況，尤其船底出現(xiàn)掏空海底地形時，重點關注安裝起重機的船體區(qū)域。

(4)必要時應采取措施防止船體結構應力超過許用值，包括安裝應力監(jiān)控系統(tǒng)以監(jiān)控船體變形等。必要時停止作業(yè)，更換作業(yè)海域等。