潮流电站载体结构强度直接计算

2015-12-12李军

船舶标准化工程师 2015年2期

李军

（山海关造船重工有限责任公司，河北秦皇岛 066206）

0 引言

潮流发电是一种新型的潮汐能利用技术[1]，潮流发电具有不占用土地、不受气候影响、不污染环境、建设周期短、经济性好、潜能巨大等特点，在我国具有广阔的发展前景。漂浮式潮流发电站是潮流电站的一种[2]，这种电站采用载体搭载水轮机和发电机组漂浮在海面上，载体是漂浮式发电站的关键组成，载体漂浮在水面上时要承受多种载荷的作用，这些载荷对于载体的安全性，乃至潮流电站的安全发电均提出了挑战，在此情况下迫切需要针对漂浮式潮流电站载体进行全船的强度校核[3-4]。

漂浮式潮流电站的载体作为一种新型结构形式，没有现成的规范可以借鉴，因此本文将潮流电站载体作为一种船体结构，利用有限元分析软件ANSYS，建立潮流电站载体有限元模型，参考船舶行业相关规范[5-6]，采用直接计算的方法选取典型工况进行潮流电站载体整体有限元分析，得出的结论旨在为潮流电站方案设计的可行性提供必要的技术支持。

图1 潮流电站基本结构图

1 有限元模型

1.1 坐标系设置

潮流电站结构图见图1，模型总体坐标系的原点O取在尾垂线处，x轴向船艏为正，y轴向左舷为正，z轴垂直向上为正。

1.2 建模原则

按照本船的型线，各构件设计尺寸、板厚、截面、开孔等，建立结构的有限元模型[6]。计算模型单元分类为：1）板（shell）单元：甲板、外壳板、底板、横舱壁、纵舱壁等构件中的板壳结构、连接肘板等；2）梁（beam）单元：尺寸较大且连续的纵骨、加强筋、扶强材等。有限元模型的网格纵向以肋骨间距为基准，横向以纵骨间距为基准，舱壁最底部单元一般情况下尽量划分为正方形单元，四边形单元边长比不超过1:3。

按上述建模原则，参照相关图纸建立有限元模型如图2所示。

1.3 材料属性

船体所用材料为普通船用钢材，其材料属性如表1所示。

表1 材料属性

2 载体所受载荷分析

计算时，以不同浪向角方式，共选取浪向角为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七个工况。本模型施加的载荷主要包括水轮机上所产生的载荷和由静水压力和波浪动压力构成的舷外水压力[8-9]。其中，水轮机上所产生的载荷取为极限流速2.03m/s情况下的额定100KW功率输出时、低速转动（扭矩最大）和飞逸（流向载荷最大）条件下所产生的载荷。波浪动压力采用三维线性势流理论，由HYDROSTAR软件计算完成，具体为取浪向角为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七个工况，分别计算出各工况在设计波下的波浪载荷。波浪载荷施加示意图如图2所示。

图2 结构有限元模型

图3 有限元模型载荷加载图

3 屈服强度校核

屈服强度校核主要分析潮流电站载体平台在极限环境条件与极限作业条件下受最不利组合载荷作用下结构抵抗塑性破坏的能力[10]。即强度条件为：

式中：σ工作为结构在外载作用下的工作应力；[σ]为材料许用应力；Fy为结构材料的危险应力，取材料的屈服极限；F.S.为安全系数，根据载荷工况和变形特征（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）参照规范选取。漂浮式潮流电站载体采用低碳钢（Mild）建造，其材料换算系数K分别为1.0。根据相关规定[5]，许用应力如表2所示。

其中，相当应力由下式确定：

式中：σx、σy分别为沿X方向和沿Y方向的面内应力；τxy为面内剪应力。

表2 板许用应力（MPa）

表3 设计板厚情况下全船模型屈服强度评估结果

图4 各工况下应力云图

表3给出了各个工况下结构的最大应力以及与许用应力相比结果，各工况应力云图如图3所示。

从表3的计算结果和图4所示的应力云纹图中可以看出，各浪向角下，应力较大部位主要集中于甲板、底板和舷侧外板，但都没有出现较高的应力集中现象和超出许用应力的情况。载体结构满足强度要求。

4 屈曲强度校核

屈曲强度是分析潮流电站载体平台在极限环境条件与极限作业条件下的平台结构的稳定性，是保证潮流电站载体平台安全性的重要方面[11]。本文根据规范要求，分别计算了0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°这几种载荷工况下，甲板和底板板格的屈曲强度，板格选择这几种工况下分别对应的危险部位。

4.1 模型建立

规范中规定[5]，若总纵弯曲强度采用板梁组合模型的有限元法进行直接计算，则强力甲板和船底板应计算在双向轴向压应力和剪应力作用下的屈曲强度。且一般情况下应采用板的中面应力，进行板的屈曲强度计算。对强力甲板和船底板的屈曲强度计算，计算板厚为实际板厚缩减后的板厚。屈曲计算根据不同载荷工况的计算结果，在沿船长（强力甲板或船底板）方向最大中面应力区域处，选取两纵骨与两强横梁、两横梁与两纵桁、两实肋板与两纵骨、底肋骨与纵桁中的一种所围成的板格进行。对选定的计算板格的应先减缩板厚，然后重新划分网格，格各边应大于等于8个网格，尽量采用正方形网格。