海上綜合試驗平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及環(huán)境載荷研究

田 力，王 潔，張岳林

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266011；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，山東 青島 266102；3.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092)

0 引言

目前，能源問題是擺在世界各國面前的首要問題，開發(fā)和利用代替能源特別是可再生能源已刻不容緩。在可再生能源中，風(fēng)能、潮流能、太陽能作為清潔能源愈來愈受到重視[1]。在我國，已有多個“863計劃”項目涉及風(fēng)電、潮流發(fā)電及光伏發(fā)電的開發(fā)與利用。雖然陸上風(fēng)電及光伏發(fā)電技術(shù)已日漸成熟，但海上風(fēng)電及光伏發(fā)電仍處于試驗研究階段。設(shè)計一個能綜合潮流發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的試驗平臺具有十分重要的意義，可大大降低試驗場地的建造成本，并能順利完成各項試驗任務(wù)。

為此，本文依據(jù)設(shè)計任務(wù)書，并通過自主創(chuàng)新，研制了外形新穎的六邊形半潛式海洋綜合試驗平臺。但其浮筒與立柱的間距較大，且多采用撐桿相連，撐桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文在已有總布置的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并無先例可循，因此具有十分重要的研究和實用意義。

1 技術(shù)設(shè)計

在海上綜合試驗平臺初步完成平臺選型、主尺度確定、總布置設(shè)計和重量重心估算等相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，基于ABS的《海上移動鉆井單元(MODU)建造與入級規(guī)范》[2](下文簡稱《MODU規(guī)范》)的相關(guān)內(nèi)容，對海上綜合試驗平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1.1 總布置設(shè)計

本文研究的海上綜合試驗平臺需要在平臺上綜合完成風(fēng)力、潮流、光伏發(fā)電的3項試驗?zāi)繕?biāo)。風(fēng)力發(fā)電通過2個風(fēng)機(jī)實現(xiàn)。潮流發(fā)電通過4個葉輪實現(xiàn)，且平臺具有較大的甲板面積，供安置太陽能電池板及試驗場地，并由浮筒承載風(fēng)電機(jī)組。該方案可降低工程造價，節(jié)約成本，外形簡單合理美觀。

本文的海上綜合試驗平臺主尺度如下：

長度40.0 m，寬度59.0 m，型深8.5 m，吃水5.5 m，立柱尺寸2 000 mm×1 500 mm×750 mm，撐桿1半徑為500 mm。

1.2 基于ABS規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 鋼材料的選取

平臺鋼材的選用直接影響平臺的使用安全、壽命和造價。海上綜合試驗平臺采用AH36高強(qiáng)度鋼，其材料特性如下：

屈服應(yīng)力355 MPa，密度7 850 kg/m3，楊氏模量2.06×105MPa，泊松比0.3。

1.2.2 板的設(shè)計

根據(jù)ABS規(guī)范計算得到的最小設(shè)計板厚和平臺不同結(jié)構(gòu)的板厚見表 1。加強(qiáng)筋和橫梁設(shè)計結(jié)果見表2。

表1 平臺結(jié)構(gòu)板厚規(guī)格表

表2 平臺骨材規(guī)格表

2 平臺環(huán)境載荷計算

在海洋工程領(lǐng)域，環(huán)境載荷一般由風(fēng)載荷、海流載荷及波浪載荷構(gòu)成。海上綜合試驗平臺長期系泊于固定海域中作業(yè)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初合理確定海洋環(huán)境條件顯得尤為重要。環(huán)境載荷計算的準(zhǔn)確性將影響到后續(xù)的屈服、屈曲強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度校核。

2.1 波浪載荷

本文基于三維勢流理論和Morison理論，采用設(shè)計波法計算海上綜合試驗平臺在單位規(guī)則波中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和運動響應(yīng)[3]。

2.1.1 水動力模型的建立

首先，利用SESAM軟件的Genie模塊建立海上綜合試驗平臺的濕表面模型(見圖 1)和莫里森模型(見圖2)。其次，生成T1.FEM、T2.FEM有限元模型文件后，分別導(dǎo)入到HydroD模塊Wadam設(shè)置向?qū)е?。HydroD水動力模型見圖3。

圖1 濕表面模型

圖2 莫里森模型

圖3 水動力模型

2.1.2 水動力分析

水動力分析中，剖面載荷是分析的關(guān)鍵，因此要對海上綜合試驗平臺進(jìn)行切片，設(shè)置載荷剖面。分別沿平臺的X、Y方向設(shè)置載荷剖面。沿平臺X方向選取X=1、19、39 m 3個位置設(shè)置3個典型的YOZ剖面，依次為101、102、103剖面，其中102剖面為典型中橫剖面。同樣地，沿平臺Y方向選取Y=-11、0、11 m 3個位置設(shè)置3個典型的XOZ剖面，依次為201、202、203剖面，其中202剖面為典型中縱剖面。海上綜合試驗平臺6個典型剖面見圖4。

圖4 6個典型剖面示意圖

為計算海上綜合試驗平臺6個典型剖面的剖面載荷，采用浪高為1 m的單位規(guī)則波，計算縱向剪力、橫向剪力、扭矩、垂向彎矩這4個主要載荷參數(shù)的響應(yīng)幅值。對剖面載荷分析結(jié)果通過列表整理后搜索最大幅值，可以得出剖面載荷主要載荷參數(shù)最大幅值對應(yīng)的頻率和浪向角，見表3。

表3 典型剖面載荷最大值搜索結(jié)果

2.1.3 波浪載荷長期預(yù)報

基于SESAM軟件的POSTRESP模塊對海上綜合試驗平臺進(jìn)行波浪載荷長期預(yù)報。本文選用中國沿海海浪散布圖資料對平臺的設(shè)計載荷進(jìn)行長期預(yù)報。海上綜合試驗平臺的設(shè)計壽命為25 a。一般情況下平臺所受到的波浪載荷循環(huán)次數(shù)為n=108，對應(yīng)長期預(yù)報值見表4。

表4 設(shè)計波波幅確定

2.1.4 設(shè)計波系統(tǒng)的確定

4種設(shè)計波的參數(shù)見表5。

表5 不同主要載荷參數(shù)下設(shè)計波相關(guān)參數(shù)

上述4種設(shè)計波較為全面地反映了海上綜合試驗平臺所受到的極限波浪工況，分別考慮了迎浪、橫浪和斜浪3種主要工況下平臺的波浪載荷，并對平臺的中垂中拱、壓縮分離和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行了考慮。

2.2 流載荷的計算

本文流載荷的計算參照《MODU規(guī)范》中的第3部分船體建造與設(shè)備部分的相關(guān)內(nèi)容完成[2]。

2.2.1 流速

流速由風(fēng)海流流速、潮流流速和風(fēng)暴涌流流速3部分構(gòu)成。計算流速時應(yīng)考慮作業(yè)海域流速的垂向分布。流速可以用如下公式表示：

(1)

式中：Vc為流速， m/s；Vt為潮流流速，方向與風(fēng)的方向一致，m/s；Vs為風(fēng)暴涌流流速， m/s；Vw為風(fēng)海流流速， m/s；h為風(fēng)海流的參考深度， m(當(dāng)缺少其他資料時，h取5 m)；z為水質(zhì)點在靜水面以下的垂直距離。

流速剖面示意圖見圖5。

Vt—潮流流速；Vs—風(fēng)暴涌流流速；Vw—風(fēng)海流流速；h—風(fēng)海流的參考深度；z—水質(zhì)點在靜水面以下的垂直距離；d—海平面到海底的距離；x—海平面以上的高度；x(+)—波峰到海平面的高度，x(-)—波谷到海平面的高度。

2.2.2 海流力

當(dāng)只考慮海流對海上綜合試驗平臺的作用時，海流載荷對平臺水下部分結(jié)構(gòu)物作用力F見下式：

(2)

式中：CD為拖曳力系數(shù)；ρ為海水密度，kg/m3；A為正投影面積，m2；V為設(shè)計海流速度，m/s。

在計算海上綜合試驗平臺水動力輪機(jī)(下文簡稱“水輪機(jī)”)作業(yè)工況的流載荷時，不考慮旋轉(zhuǎn)、葉片形狀對船體水輪機(jī)所受流力的影響，可以將其簡化為一個與水輪機(jī)具有等直徑的圓盤面。由于等直徑圓盤面的受力面積要遠(yuǎn)大于水輪機(jī)葉片的受力面積，因此該簡化計算是可以滿足設(shè)計要求的。對于在自存工況(極限工況)流速為2 m/s時，水輪機(jī)處于順槳鎖定狀態(tài)，可近似認(rèn)為其所受載荷為0[4]。

海上綜合試驗平臺選取的水輪機(jī)參數(shù)如下：

水輪機(jī)組數(shù)量2個，水輪機(jī)葉尖到水線距離0.1 m，水輪機(jī)直徑8.8 m，水輪機(jī)中心水深4.5 m。

作用在結(jié)構(gòu)上的流載荷根據(jù)規(guī)范公式進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表6和表7。

表6 水面流速為1.6 m/s 時不同水深處的流壓

表7 水面流速為2.0 m/s 時不同水深處的流壓

在進(jìn)行海上綜合試驗平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時，將流壓以線性均布面載荷的形式施加到模型濕表面上，因此對平臺流載荷的具體計算結(jié)果不具體列出，而是以結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力響應(yīng)的形式展現(xiàn)。

2.3 風(fēng)載荷的計算

2.3.1 風(fēng)速

風(fēng)速可理想化為一個隨機(jī)高頻陣風(fēng)風(fēng)速和一緩慢變化的平均風(fēng)速的疊加。風(fēng)速是隨高度變化的，因此需要明確指定風(fēng)速的參考高度。風(fēng)速計算時通常使用的參考高度為10 m。根據(jù)規(guī)范要求，對無域作業(yè)區(qū)域的平臺，其最小設(shè)計風(fēng)速應(yīng)為：自存工況51.5 m/s，作業(yè)工況36.0 m/s[2]。

2.3.2 風(fēng)壓

根據(jù)《MODU規(guī)范》中的第3部分船體建造與設(shè)備部分的相關(guān)內(nèi)容，在計算風(fēng)壓力P時，使用如下方程進(jìn)行計算，所選取的垂直高度系數(shù)根據(jù)附表近似細(xì)化：

(3)

式中：P為風(fēng)壓，Pa；f取0.611；Vk為風(fēng)速,m/s；Ch為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)。

2.3.3 風(fēng)力

海上結(jié)構(gòu)物受到的風(fēng)力參考ABS規(guī)范給出的表達(dá)式進(jìn)行計算[2]：

Fw=PA

(4)

式中：Fw為風(fēng)力，N；A為投影面積，m2，針對所有暴露的表面，無論是正直狀態(tài)還是傾斜狀態(tài)。

作業(yè)工況和極端自存工況下作用在風(fēng)機(jī)和塔架上的風(fēng)載荷根據(jù)ABS規(guī)范的公式進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表8。

表8 風(fēng)載荷的計算

在GeniE模塊中將計算得到的風(fēng)載荷以均布載荷的形式施加到塔架和風(fēng)機(jī)等效盤面上。針對自存(極限)工況時，為了防止風(fēng)機(jī)發(fā)生損壞，將風(fēng)機(jī)設(shè)定為順槳停轉(zhuǎn)狀態(tài)，葉片的受力可近似為零；針對作業(yè)工況時，將作業(yè)狀態(tài)的風(fēng)機(jī)受風(fēng)面近似為圓盤進(jìn)行計算。本文海上綜合試驗平臺選取的風(fēng)機(jī)各項參數(shù)如下：

風(fēng)力機(jī)數(shù)量2個，葉尖最小高度3.25 m，風(fēng)機(jī)直徑27.5 m，機(jī)組重心高度17 m，塔架直徑2 m，塔架高度16.2 m。

3 結(jié)論

(1)本文基于《MODU規(guī)范》中的第3部分船體建造與設(shè)備部分的內(nèi)容，以及在海上綜合試驗平臺總布置圖的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行詳盡的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并分別對上殼體、浮筒、立柱、水平撐桿和下浮體結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點進(jìn)行一一說明。

(2)對海上綜合試驗平臺的波浪載荷、風(fēng)載荷和流載荷進(jìn)行計算。對風(fēng)載荷和流載荷的計算依據(jù)ABS規(guī)范完成，并進(jìn)行了簡化，忽略了葉片上空氣動力載荷。

(3)本文的重點是對波浪載荷的計算，基于設(shè)計波法對海上綜合試驗平臺進(jìn)行水動力分析，計算一階波浪響應(yīng)傳遞函數(shù)，對波浪載荷進(jìn)行長期預(yù)報，并確定設(shè)計波參數(shù)。

(4)環(huán)境載荷的計算為后續(xù)的結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計、屈服屈曲強(qiáng)度分析、疲勞強(qiáng)度分析奠定了基礎(chǔ)。