海上光伏施工打樁船海工吊底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉超 穆鵬飛 宋政昌 魏玉平

摘要：打樁船是海上光伏施工過(guò)程中常用的一種專(zhuān)用特種作業(yè)設(shè)備，為提高作業(yè)效率，海工吊采用單立柱底座懸臂梁結(jié)構(gòu)，其作業(yè)特點(diǎn)是起吊作業(yè)高度高、作業(yè)半徑大、起重作業(yè)重量大，合理設(shè)計(jì)海工吊底座結(jié)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性極為重要。結(jié)合打樁船吊車(chē)作業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以實(shí)際作業(yè)條件為邊界，利用大型通用有限元計(jì)算軟件PATRAN+NASTRA對(duì)不同作業(yè)工況下的海工吊底座受力情況進(jìn)行有限元分析計(jì)算。結(jié)果表明：所有工況下的各種應(yīng)力均不超過(guò)許用應(yīng)力，驗(yàn)證了海工吊底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。相關(guān)成果可為海工吊底座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：打樁船； 海上光伏施工； 吊車(chē)底座； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 有限元分析

中圖法分類(lèi)號(hào)： U674.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.031

0引 言

中國(guó)擁有1.8萬(wàn)km海岸線(xiàn)，發(fā)展海上光伏不僅可以解決土地問(wèn)題，還具有天然的環(huán)境優(yōu)勢(shì)［1］，預(yù)計(jì)全國(guó)海上光伏裝機(jī)潛在規(guī)模超過(guò)70 GW［2］。在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，以海上光伏為代表的新能源產(chǎn)業(yè)在未來(lái)將具有戰(zhàn)略意義，海上光伏產(chǎn)業(yè)鏈將迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇［3-4］?；诖耍疚睦么笮屯ㄓ糜邢拊?jì)算軟件對(duì)海工吊底座受力情況進(jìn)行分析，以期為海上光伏施工設(shè)備優(yōu)化提供參考。

1打樁船概況

為適應(yīng)水深10 m、近海6海里海域內(nèi)海工集群樁基作業(yè)要求，中國(guó)電建港航公司研發(fā)了一款海上光伏施工打樁船，如圖1所示。該打樁船集成了起吊系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、打樁系統(tǒng)等多種智能化軟件和硬件系統(tǒng)，較同類(lèi)型海工裝備施工效率和定位精度有大幅提升，建成后將成為國(guó)內(nèi)先進(jìn)智能化“首臺(tái)套”近海打樁裝備。

根據(jù)海上光伏施工打樁船設(shè)計(jì)方案，全船整體采用單底單甲板、圓形舭部的箱型結(jié)構(gòu)，主體為全鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用全焊接方式進(jìn)行連接。為提升作業(yè)效率，海上光伏施工打樁船配置2臺(tái)海工吊起重機(jī)，單臺(tái)起重機(jī)吊臂長(zhǎng)度為40 m，在回轉(zhuǎn)半徑30 m時(shí)吊高為35 m、吊重為30 t，吊臂高度35.80 m，最大沉樁樁長(zhǎng)30 m，最大沉樁樁重30 t。

海工吊底座（圖2）作為起重機(jī)的承載主體，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)是船體安全設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

海工吊底座主體采用空心圓柱狀鋼結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)其連接可靠性，主體結(jié)構(gòu)貫穿于船體上下雙甲板，主體底部分別與船體上下甲板相連接，上下甲板均采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，為增強(qiáng)海工吊底座結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在主體結(jié)構(gòu)圓柱內(nèi)腔內(nèi)壁上也均勻布置貫穿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)肋板。

2打樁船海工吊基本情況

海上光伏施工打樁船型長(zhǎng)50 m、型寬20 m、型深3.5 m，設(shè)計(jì)吃水2 m，打樁系統(tǒng)配置兩臺(tái)全回轉(zhuǎn)海工起重機(jī)，吊重約30 t，一臺(tái)吊機(jī)可在一個(gè)船位上打4根樁。起重機(jī)除可以完成鋼樁起吊至抱樁箍喂樁工作外，也可起吊沖擊打樁頭進(jìn)行打樁作業(yè)。2臺(tái)吊機(jī)均為右機(jī)，朝向吊臂方向，駕駛室布置在右側(cè)。

2.1海工吊技術(shù)參數(shù)

吊臂長(zhǎng)約40 m；

主鉤安全工作負(fù)荷（吊重）為SWL30 t/30 m（吊高距主甲板最小35 m），SWL15 t/40 m（平吊）；

主鉤起升速度0～40 m/min（吊重40%SWL）；

主鉤最大工作半徑40 m；

主鉤最小工作半徑8 m；

副鉤安全工作負(fù)荷（吊重）為SWL30 t；

副鉤起升速度0～40 m/min（吊重40%SWL）；

副鉤最大工作半徑30 m；

副鉤最小工作半徑6.5 m；

回轉(zhuǎn)范圍360°；

整機(jī)重量約100 t。

2.2海工吊吊機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

吊機(jī)主體結(jié)構(gòu)由底座、塔身、吊臂、駕駛室4部分組成。

底座為圓柱形筒體，與船體結(jié)構(gòu)塔筒焊接，底座高度不小于2 m。

塔身和油箱是二合一的箱式結(jié)構(gòu)，通過(guò)回轉(zhuǎn)支承與底座連為一體。

吊臂為板材焊接的箱型結(jié)構(gòu)。

2.3海工吊工況施工工藝

海上光伏施工打樁船海工吊根據(jù)工作需求，將PHC400～PHC800規(guī)格的樁基按照設(shè)計(jì)要求投放至預(yù)定位置。實(shí)際作業(yè)流程為：找正→下鉤→套樁→吊樁→轉(zhuǎn)樁→喂樁→脫樁→打樁→回正，如圖3所示。

3海工吊底座有限元分析

3.1海工吊工況

根據(jù)有限元仿真分析需求，并結(jié)合海上光伏施工打樁船海工吊實(shí)際施工工藝過(guò)程，將其施工工況進(jìn)行簡(jiǎn)化，以船首方向?yàn)槌跏挤较?，左右旋轉(zhuǎn)90°為極限工況位置，簡(jiǎn)化后的海工吊工況示意如圖4所示。

3.2海工吊底座模型確定

3.2.1方向確定

（1） 橫向強(qiáng)度模型。

船舶縱向?yàn)閄向，向艏為正；船舶橫向?yàn)閅向，左舷為正；船舶垂向?yàn)閆向，向上為正。

（2） 模型范圍。

縱向?yàn)镕R16～FR44，橫向?yàn)檎麄€(gè)船寬，垂向?yàn)檎麄€(gè)型深。

3.2.2材料結(jié)構(gòu)模擬方式確定

板材使用 shell-2D單元模擬，該單元具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，6個(gè)自由度，分別是x、y、z方向上的平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)位移。

型材采用1D梁?jiǎn)卧M。

板單元和梁?jiǎn)卧拇笮〔怀^(guò)250 mm。

3.2.3材料特性

板材彈性模量為2.06×105 N/mm2，剪切模量為7.7×104 N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85×103 kg/m3。板的許用應(yīng)力為 235 MPa，許用剪力為 141 MPa

3.3有限元模型

3.3.1模型建立

通過(guò)三維建模，模擬海工吊底座實(shí)際使用情況，賦予海工吊底座結(jié)構(gòu)件材料強(qiáng)度、剛度等屬性與各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)所受載荷，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體以及部件分別進(jìn)行仿真分析，確認(rèn)結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)其設(shè)計(jì)是否合理，并為后期設(shè)計(jì)優(yōu)化指明方向。本次模擬采用中國(guó)船級(jí)社認(rèn)可的大型通用有限元計(jì)算軟件PATRAN+NASTRAN，有限元分析流程如圖5所示。

根據(jù)海工吊底座結(jié)構(gòu)確定有限元分析模型，分別建立海工吊底座模型、板厚云圖以及邊界條件模型，如圖6所示。

3.3.2載荷分析

海上光伏施工打樁船海工吊起重機(jī)設(shè)計(jì)載荷見(jiàn)表1。載荷通過(guò)耦合的方式加載到吊機(jī)基座上。

3.3.3有限元分析

各工況有限元分析結(jié)果如圖7所示。各工況許用應(yīng)力依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2021》中相關(guān)要求選取，對(duì)各工況應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，如表2所列。

通過(guò)對(duì)表2中各數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，所有應(yīng)力均不超過(guò)許用應(yīng)力，海工吊底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4打樁船吊車(chē)底座屈曲分析及校核

依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2021》第2篇的要求，選取應(yīng)力最大工況左-45°（工況b）下的吊機(jī)支柱進(jìn)行屈曲應(yīng)力校核，以驗(yàn)證極限載荷情況下吊機(jī)底座支柱的穩(wěn)定性。

4.1板格屈曲有限元分析

結(jié)合對(duì)海工吊底座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料參數(shù)，建立三維屈曲模型并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。海工吊底座支柱板格應(yīng)力和板格剪應(yīng)力有限元分析結(jié)果如圖8所示。

4.2板格屈曲校核

對(duì)海工吊底座支柱進(jìn)行屈曲有限元分析后，對(duì)臨界屈曲應(yīng)力與彈塑性進(jìn)行修正，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，分別對(duì)海工吊底座支柱短邊（X向）受壓板格、長(zhǎng)邊（Y向）受壓板格以及受剪板格臨界屈曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算校核，具體如下：

（1） 短邊受壓板格彈性臨界屈曲應(yīng)力σxcr-e。

σxcr-e=kxC1π2E12（1－ν2）ts2（1）

（2） 長(zhǎng)邊受壓板格彈性臨界屈曲應(yīng)力σycr-e。

σycr-e=kyC2π2E12（1－ν2）ts2（2）

（3） 受剪板格彈性臨界屈曲應(yīng)力τcr-e。

τcr-e=ktC1π2E12（1－ν2）ts2（3）

式中：kx，ky，kt分別為短邊受壓及彎曲屈曲系數(shù)，長(zhǎng)邊受壓及彎曲屈曲系數(shù)和剪切屈曲系數(shù)，取5.519，1.939，1.082。

將表3中相關(guān)參數(shù)代入，可得σxcr-e=1 437.2 N/mm2，σycr-e=555.4 N/mm2，τcr-e=1 583.8 N/mm2。

4.3板格彈性臨界屈曲應(yīng)力修正

將海工吊底座支柱短邊（X向）受壓板格、長(zhǎng)邊（Y向）受壓板格以及受剪板格計(jì)算所得臨界屈曲應(yīng)力數(shù)值與ReH/2進(jìn)行大小比較，然后按照板格屈曲校核規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)校正。

5結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)海上光伏施工打樁船上關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)海工吊底座進(jìn)行三維建模、有限元分析及穩(wěn)定性校核計(jì)算，

給立柱式長(zhǎng)懸臂、大承重的海工吊提供了一種基座設(shè)計(jì)可行性方案，

并驗(yàn)證了本文中提到的海工吊基座設(shè)計(jì)方案的合理性，

對(duì)后續(xù)的船舶整體加工及實(shí)際施工提供了理論依據(jù)，提高了設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了設(shè)計(jì)周期。

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（編輯：胡旭東）