海上风机吊装船全船结构强度分析

韩 强 姚震球 陈家旺 杨新利

（1.浙江海盐县港航管理处 嘉兴 314300；2.江苏科技大学 镇江 212000）

0 引 言

风电机组的安装是海上风电场建设的关键技术之一。如何打造一个能够在海洋环境中风浪流共同作用下，高效、安全地完成风机吊装作业的海上工作平台，是各国海上风电场建设的重要课题。

自航自升式海上风机吊装作业船是海上风电场建设的第三代吊装平台，具备自航、自升、运输、起重等综合功能，工作效率高，经济效益也高，已成为海上风电场建设主流装备。这种新型船舶具有升降桩腿、大起重量的吊机、较大的甲板荷载等特点。长深比和宽深比均已超出现行规范要求，目前国内尚无专门规范可用于直接指导该船型的设计，故对其进行全船结构强度分析很有必要。

1 船型及结构形式

1.1 主要参数

本文中的海上风机吊装船主船体为驳船箱型船体，主体部分有较长的平行舯体，船宽较大；船尾为方艉，首部线型趋于V型，有球鼻艏，以改善耐波性，提高快速性；没有脊弧和舷弧。其主要参数如下：

1.2 船体结构形式

该船为单甲板、单底、纵骨架式驳船箱型全焊接钢质海上风机吊装作业船，尾部3浆，首部球鼻艏处有两个侧推，全船肋距600 mm，纵骨间距625 mm，船体留出安放4根桩腿的开口，结构之间保持良好的连续性和有效地连接。

1.2.1 纵向主要构件

（1）纵中剖面处设有纵中舱壁，在左右两侧距纵中舱壁7 500 mm处各设一道纵舱壁；在横向强框架处，有垂直桁材对纵舱壁进行加强，每个纵舱壁设置5道纵骨；舷侧外板设置6道纵骨，另外全船设置有48根支柱。

（2）纵向强框架的间距为3个纵骨间距。内龙骨与甲板纵桁各12道，上下、左右对称布置，分别位于距中纵舱壁1 875 mm、3 750 mm、5 625 mm、9 375 mm、11 250 mm、13 125 mm 处。

1.2.2 横向主要构件

（1） 除去Fr.0尾封板，在Fr.7、Fr.19、Fr.40、Fr.64、Fr.88、Fr.118和Fr.133处布置有7道水密横舱壁，并在船首桩腿处左右两舷各增加两道短横舱壁。对横舱壁在纵向强构件穿过的位置设置垂直桁材，纵骨穿过的位置处设置加强筋。

（2）实肋板、强横梁、强肋骨等组成的横向强框架间距为3个肋距。

另对吊机基座外板设置12根强扶强材。

2 全船有限元模型

2.1 坐标系

本船采用右手坐标系。原点取在Fr.43纵中剖面基线处；x轴沿船长方向，向艏为正；y轴沿船宽方向，向左舷为正；z轴为型深方向，自基线向上为正。

结构模型建立和载荷施加过程中采用N、mm、s的单位制。

2.2 单元划分

按照本船的型线，各构件设计尺寸、板厚等均采用MSC.PATRAN软件建立三维有限元计算模型，见图1。

模型中主要采用以下两种单元：

2.2.1 板壳单元

用来模拟船体中的甲板、船底板、舷侧外板、纵横舱壁、安放桩腿处船体板等板壳结构和船底龙骨、实肋板、甲板纵桁、强横梁、强肋骨、桁材等腹板高度比较大的强构件以及腹板高度大于300 mm的肘板等。板壳单元大多采用四边形单元，在连接或变化较大处采用少量三角形单元过渡。

2.2.2 梁单元

用来模拟板壳结构中腹板高度小于300 mm的纵骨、横舱壁加强筋、支柱等杆件结构，以及纵桁、实肋板、强横梁、强肋骨、强扶强材等强构件的面板和肘板的折边等。

有限元网格的大小保持在一个纵骨间距三个单元的量级水平，使得结构单元比较精细。主要构件上的四边形单元边长比不超过1∶2，在连接过渡的地方采用了少量三角形单元［1］，共316 332个节点、391 762个单元。

为了建模的方便，模型中对首尾结构以及上层建筑进行了适当简化，忽略了船体结构中一些小的肘板、开孔等次要因素；另外，为模拟吊机基座结构、桩腿与船体连接处结构以及风机各部件在甲板装载处并施加相应的载荷，采用了33个多点约束（MPC）。

3 计算工况及边界条件

3.1 计算工况

为了比较全面地考核本船船体结构的强度及各主要构件的稳定性，分别计算了本船在满载航行、静水起吊和自升后起吊三种状态下船体结构的应力分布及变形。其中自升后起吊是重点考察对象。

不同的状态和环境组合出10种工况，如表1所示：

3.2 边界条件

船舶是一个漂浮体，处于平衡力系之下，但没有对刚体运动的约束。而有限元位移法分析要求结构的刚体运动被限制，以便计算结构的相对变形。为此，必须给船体加上适当的约束，令船体不做刚体运动，同时也不能限制船体变形，不能影响全船结构的受力，这样求出的相对变形与内力才是真实的［2］。

3.2.1 满载航行和静水起吊状态

船体结构的变形状态十分复杂。一般而言 ，如果结构是以弯曲为主 ，在两端中和轴附近的节点施加类似简支的约束比较合理［3］。约束点的选取应尽可能远离将来所关心的应力位置。本船整体模型被约束了两个位置，一个在船尾

尾封板处中和轴位置，对该部位的节点约束x、y、z三个方向的位移；另一位置在防撞舱壁处中和轴位置，约束y、z两个方向位移。

3.2.2 自升后起吊状态

为了模拟风机吊装作业船在桩腿自升、船体抬离水面后进行起吊的真实状况，对桩腿与船体连接处外板进行约束。选择桩腿处外板与船底相交的节点进行约束，在此四个部位的节点均约束x、y、z三个方向的位移。

表1 计算工况说明

4 载荷计算

4.1 空船重量

4.1.1 船体钢料重量

本船船体钢料重量1 921.69 t，计算模型中网格比较均匀，板厚总体相差不大，可将结构自身重量等效为所有节点上作用的集中力；或以惯性力g的形式进行加载，本船以g的形式施加。

4.1.2 舾装重量

本船舾装重量653.37 t，可将其分散在每个节点上，以等效的集中力加载［4］。计算模型中共316 332个节点，每个节点上的集中力为20.24 N。

4.1.3 机电重量

本船轮机设备重量199.64 t，按轮机及主要设备在船上所处的位置区域以MPC的形式作用在对应的结构节点上。

4.1.4 食品淡水重量，燃油、滑油及炉水重量

本船淡水20.44 t，燃油、滑油298.2 t，分别以面压力的形式施加到模型对应舱室的结构节点中。

4.1.5 压载水重量

根据总布置图，本船设置6个压载水舱以对浮态进行调整，在Fr.7～Fr.40设置4个，在Fr.134～Fr.143设置2个。满载情况下，首部压载160 t，尾部压载 640 t。

4.2 风载荷

本海上风机运输吊装船为一艘近海施工的船舶，其设计适航环境为：浦氏6级、风速10.8～13.8 m/s、浪高3～4 m，设计风速V取值为13.5 m/s。

由文献［5］风压P可按下式计算：

作用于构件上的风力F应按下式计算，并应确定合力作用点的垂直高度

式中：P 为风压，kPa；

S为平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积，m2；

Ch为受风构件的高度系数；

Cs为受风构件形状系数。

按上述公式计算得到波浪航行、自升后起吊状态下船体、上层建筑、起重机、桩腿以及风机（塔筒、机舱、轮毂叶片）等部件所受风载荷。船体及其构件的风载荷按照2种方式施加到有限元模型上［6］：

（1）对于船体、上层建筑等板结构，按式（1）计算的风压施加到模型上；

（2）对于起重机、桩腿、风机各部件等，按风力引起的弯矩施加到模型上；

4.3 吊机、风机及桩腿自重

4.3.1 起重机自重

本船吊机重量约 500 t（其中吊臂 160 t），以MPC的形式加载到对应的结构节点上。吊臂自重及自重引起的弯矩与吊臂所受风载荷引起的弯矩共同作用后得到吊机基座承受的力和弯矩。

4.3.2 桩腿自重

单根桩腿自重180 t，每个桩腿通过三组齿轮齿条实现船体升降，每组齿轮可采用2个MPC来模拟，计24个MPC。桩腿处承受的压力可将其分散在每个MPC上，以等效的集中力加载。

（1）静水起吊和波浪航行时，桩腿处外板每个MPC承受的载荷为294 kN；

（2）自升后桩腿处外板每个MPC承受的载荷为2 204.36 kN。

4.3.3 风机自重

设计单程运输量：3套单机容量3 MW的风机，华锐SL3000-90型风电机组。采用“三叶式”的方式进行装载运输。

在船长方向上左舷依次放置两个机舱，右舷放置一个。机舱重量以面积力的形式施加。其风载荷引起的弯矩忽略。上、中下塔筒，轮毂和风叶的“三叶式”组合体，分别采用7个MPC单元模拟，施加在相应的风机部件与甲板结构相接触的节点上。从船尾到船首、左舷到右舷的方向，分别是上塔筒、中下塔筒，上塔筒、中下塔筒，中下塔筒、上塔筒，三套轮毂叶片组合体。如图2所示。

4.4 舷外水压力

计算中分别考虑了静水、波浪水动压力2种舷外水条件，以面压力的形式进行加载。

4.4.1 满载静水状态

根据满载状态下的重量数据（包括空船重量、油水和吊重载荷）计算吃水，形成舷外水压力的函数，通过定义与垂向坐标 z线性相关的域（field）函数施加船体各单元节点处。

4.4.2 满载波浪状态

波浪状况下舷外水压力由静水压力和波浪水动压力两部分组成［7］，舷外水压力函数为：

其中：L为船长，m；D为型深，m；d为设计吃水，m。

5 计算结果

通过有限元静力分析，船体结构板单元最大应力结果汇总于表2；表3给出了部分主要构件的最大应力结果。除部分工况下的基座处板壳、实肋板与纵舱壁强扶强材外，各主要构件的应力分量满足文献［7］所列的强度标准。

由上述计算结果可知，在自升后起吊状态下，船体结构中的应力水平较高，见下页图3。其主要构件应力集中现象明显，如图5、图6。图4为3.5工况下整船位移云图。

6 结 语

对海上风机吊装船的全船结构强度分析表明：

（1）参照目前的CCS规范，设计完成的海上风机吊装船结构，其部分构件应力较大，接近甚至超出材料应力。因此对风机吊装船进行全船结构强度有限元计算与分析，对船体结构进行校验是必要的。建议有关部门尽快制定海上风机吊装船专门规范，对设计工作予以指导；

（2）在自升后起吊状态下，船体结构中的应力水平较高。波浪航行、静水起吊状态下的工况明显不危险，为了减小计算本身以及数据处理和分析的工作量，可以忽略那些明显不危险的工况；

（3）较高的应力水平（而不满足强度标准）基本上都是由应力集中造成的局部强度不够；

（4）应力处于超界状态的区域大部分集中在吊机基座处以及主体与桩腿的连接部位；在船体自升后起吊的状态下，桩腿处船底板刚性固定，船体应力集中现象最为突出，这部分结构，既要传递巨大竖向载荷，又要承受和抵抗风载荷产生的水平载荷。依据文献［7］所列的强度标准，与船体纵向强构件相比，横向强构件更难满足强度要求；

（5）从本船的应力计算结果表明，上层建筑结构的应力水平不高，没有超界板梁单元，因此直接计算时，模型中可以对上层建筑结构进行简化甚至忽略（但是必须考虑其重量）；

（6）本文依据文献［7］中的强度标准的规定进行校核，其强度标准的选择对于风电船来说有一定的局限性。

［1］王利永.船舶结构强度全船有限元计算研究［D］.武汉理工大学硕士学位论文.2006：9-95.

［2］姜桥.集装箱船结构强度分析研究［D］.上海交通大学硕士学位论文.2009：58-93.

［3］张少雄、杨永谦.船体结构强度直接计算中惯性释放的应用［J］.中国舰船研究：2006（2）：58-61.

［4］任思扬.工程船结构强度直接计算及优化研究［D］.武汉理工大学硕士学位论文.2006：15-75.

［5］CCS.海上移动平台入级与建造规范［S］.人民交通出版社，2005.

［6］马网扣，羊卫.CPoE-62自升式作业平台整船强度入级计算［J］.上海造船：2008（1）：17-22.

［7］CCS.散货船结构强度直接计算分析指南［S］.人民交通出版社，2003.