双体交通运维船有限元强度分析

羊 卫，赵 园，陆响辉

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引言

海上风力发电作为可再生能源开发的重要方向之一，已经成为深远海智能海洋牧场、超大型海上浮式基地建设和海上石油钻探等海上重大项目重点研究的能源供给方式之一。目前，海上风电已成为全球关注的焦点。我国沿海风能资源开发潜力较大，为加快海上风电的发展，部分沿海地区海上风电场已投入运营[1]。随着海上风电场运营数量的不断增加，专门用于其日常维护工作的运维船需求量将出现逐年递增的趋势。

目前，国内海上风电运维船以专业双体运维船最为适用。该型船具有甲板面积大、布置宽敞、稳性好、吃水浅、航速较高，能承受较大风浪能力等特点，可确保运维工作顺利实施和保障海上作业人员的安全，同时双体船还具备操控性良好、使用可靠、维修方便等特点，可保证海上风电运维工作能高效完成并降低海上风电厂的日常运营成本[2]。本文研究的37 m双体交通运维船主要承担海上风电日常巡查、维护、交通等工作。该船结构主体部分包括：两个瘦长型的平行片体(单体船)以及抗扭箱和连接桥，后者布置在两片体上部中间，将两个片体通过焊接等方式牢固地连接在一起，起到“扁担”效应。相比于单体船，双体船的船长型深比很小，船体具有足够的总纵强度和刚度，因而其纵向承载能力具备一定的储备。一般对于船长小于50 m的双体船可以不进行总纵强度校核[3]，但当双体船遭受90°浪向角和45°或135°斜浪时，两片体之间的连接桥将会承受较大的总横力矩和扭转力矩载荷。因此，在结构设计时，必须充分考虑整船尤其是连接桥结构的总横强度和扭转强度，以保证双体船总强度达到规范及设计的要求。

本文基于有限元分析方法，对双体交通运维船进行总强度分析计算。根据规范[4]中相关要求，通过设计波法，采用SESAM水动力软件计算出双体船总横弯矩和扭转力矩的长期预报值，计及其他相关载荷，对本船总横强度和扭转强度开展分析。通过分析本船整船的应力分布情况，对双体船结构优化提出建议，为船体轻量化和局部结构加强提供有益参考。

1 主要参数及有限元模型建立

1.1 主要参数介绍

37 m双体交通运维船为双机、双桨、双舵型双体船，其参数为：垂线间长37.2 m，型宽10.4 m，片体宽3.2 m，型深3.8 m，设计吃水1.8 m，肋距0.5 m，梁拱0.1 m，设计航速15 kn，航区为近海航区。本船主要建造材料为CCSA钢，采用横骨架式建造，两单船体之间的抗扭箱和连接桥结构也采用横骨架式。

CCSA钢参数为：密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，屈服强度235 MPa，弹性模量2.06×105MPa。

1.2 船体湿表面及整体结构有限元模型

采用MSC.Patran完成整船有限元模型的构建，其中采用三角形单元、四边形单元来模拟甲板、舷侧板、船底板、船体纵桁腹板、舱壁板、连接桥甲板、连接桥抗扭箱底板、连接桥横隔板等壳板结构，采用梁单元来模拟纵向骨材、加强筋、桁材面板等。37 m双体交通运维船有限元模型包括主甲板以下整船结构。按右手坐标系法则建立坐标系，其原点位于两片体艉封板连线中点基线处。整船有限元模型总节点个数为32 659，单元个数为46 719。整船有限元模型如图1所示。

图1 整船有限元模型

2 边界条件及载荷工况

2.1 边界条件

根据规范[4]，采用的边界条件如图2所示。在连接桥上甲板中纵剖面上取艏、艉部点A和点B，片体中部点C，对A点约束X、Y、Z三个位移分量，对B点的Y、Z位移分量进行限定，对C点的Z向位移进行约束。

图2 总体模型施加的约束条件

2.2 计算工况及载荷施加

按照规范要求，本船计算工况主要分为两个：满载出水时总横强度计算工况(波浪的浪向角为90°)和满载出水时扭转强度计算工况(波浪的浪向角为45°或135°)。每个计算工况包括的载荷有：船员及行李重量、舷外静水压力、舱内淡水、燃油等液体压力及总横弯矩或扭转弯矩。

2.2.1船员及行李重量

船员及行李重量按船员主要活动区域，对该重量进行均布近似处理。

2.2.2静水压力

舷外静水压力在船长方向以梯形分布，可根据艏、艉吃水位置来确定液面位置；在吃水垂直方向静水压力以三角形梯度变化。舱内淡水、燃油等静水压力在吃水方向也呈线性变化规律，在有限元模型上加载时以压力场形式完成液压载荷的施加。

2.2.3总横弯矩及横向对开力计算

当波浪为横浪(浪向角为90°)时，双体船将承受横向弯曲载荷作用，在连接桥上将产生较大的横向弯矩。根据规范[4]，连接桥的总横弯矩可采取等效载荷施加的方式进行，即通过沿片体横向强框架的中纵剖线上的节点来施加等效后的横向对开力，其中横向对开力fy按式(1)进行等效计算：

(1)

式中：Mbx为总横弯矩；Z为横向对开力作用点到连接桥中纵剖面中和轴的垂向距离；n1为包括横舱壁在内的横向强框架个数之和。

2.2.4扭转弯矩及反对称垂向均布力计算

当波浪为斜浪(浪向角为45°或135°)时，双体船两片体发生不同步纵摇，使船产生扭转变形。根据规范[4]，双体船扭转力矩也可采取等效载荷来施加，即将扭转力矩等效为反对称分布在片体中纵剖面内的垂向均布力，垂向均布等效力关于双体船中纵剖面反对称，也关于中横剖面反对称，等效的垂向分布载荷pz由式(2)计算：

(2)

式中：Mty为扭转弯矩；L为双体船船长；n2为片体中前部或中后部所需施加的节点个数之和。

2.3 总横弯矩和扭转弯矩等效载荷施加

总横弯矩和扭转弯矩等效加载的关键是计算确定Mbx和Mty的值，可根据文献[5]提供的经验公式计算确定，也可根据设计波法计算得到横浪或斜浪下总横弯矩或扭转力矩的长期预报值。本文采用第二种方法完成式(1)和式(2)中的弯矩计算过程。

2.3.1设计波参数确定

根据规范[4]，波浪载荷可采用设计波法来计算，应用SESAM水动力软件的HydroD(WADAM)模块分别计算90°、45°和135°浪向下的波浪弯矩的RAO(传递函数)。图3为本船横向弯矩和扭转弯矩的传递函数。

获取了横向弯矩和扭转弯矩载荷的RAO后，就可以对相应的载荷进行长期预报。根据挪威船级社提供的北大西洋波浪散布图，利用相应的RAO，依据P-M波浪谱来模拟散布图，运用二维韦布尔分布来拟合长期分布，最终对本船所受的两个弯矩载荷分别进行长期预报。应用SESAM中的Postresp模块，便可计算出相应波浪载荷的长期预报值，其结果见表1。

图3 按设计波计算的波浪弯矩的RAO

表1 长期预报所得结果

从表1分析可知，当浪向角为45°时双体船所受的扭转力矩较大，确定横向弯矩Mbx=3.08×106N·m，扭转弯矩Mty=5.75×105N·m。

2.3.2等效载荷施加

根据所建立的整船模型，可确定式(1)中Z=3.95 m，n1=22，将其与横向弯矩Mbx代入式(1)中，可求得对开力fy的值；将扭转弯矩Mty、船长L、片体中前部节点个数77或片体中后部节点个数67代入式(2)中，可求得总横扭矩作用下的等效反对称垂向均布力。

3 计算结果汇总

将液压载荷、90°横浪及45°斜浪动压力产生的波浪弯矩和整船运动的惯性力施加到整个双体船有限元模型上，运用MSC.Nastran分析软件便可求得整船应力分布结果。

本文根据规范[4]确定本船所用CCSA钢的许用应力值，即等效应力许用值为200 MPa，剪切应力许用值为90 MPa。双体交通运维船结构应力结果见表2。本船整船结构应力云图、整体变形图分别如图4、图5所示。

图4 整船等效应力云图

图5 整船变形云图

表2结构应力结果汇总表MPa

计算工况横弯扭转等效应力剪切应力等效应力剪切应力校核结果片体甲板90.918.3满足片体外板65.921.1满足片体纵向构件62.732.514.86.95满足片体横舱壁184.077.136.814.10满足片体横框架161.072.324.810.10满足连接桥甲板106.026.3满足连接桥抗扭箱底板184.037.3满足连接桥纵向构件42.923.291.523.00满足连接桥横向构件183.030.687.212.50满足

4 结论

(1)根据表2中的应力结果数据可知，本船的总横强度和扭转强度满足规范要求。

(2)在斜浪45°浪向角作用下，双体船主要受扭转力矩的作用。根据整船应力云图和变形云图可知，连接桥纵向构件和横向构件是主要受力构件。此外，连接桥与两片体相交接附近区域产生的应力响应也较其他部位大。在横浪即90°浪向角作用下，连接桥横向构件与片体横向强构件如横舱壁和横框架产生的应力响应较其他区域大，最大应力达到了184 MPa。

(3)对比横浪和45°斜浪作用下的应力响应结果可知，双体船在横浪工况下比较

危险，即双体船总横强度在船体设计时应作充分的考虑；而在斜浪作用下，双体船受扭转力矩的影响较小，说明本船具有较富余的扭转强度。

(4)综上分析可知：连接桥与片体相衔接附近区域的构件如横梁、梁肘板、抗扭箱横构件及靠近片体艏、艉部区域均受到较大应力，且变形也较大，因此对于该区域的构件应采取加厚加强处理。而片体中靠近船中部分的构件的应力和变形较小，因此在船体结构设计时可恰当协调片体中部区域构件的结构尺寸，以满足结构轻量化的设计要求。

参考文献：

[1] 杨程. 浅析海上风电运维船的发展[J].海峡科学, 2016(12):78-80.

[2] 周华. 海上风电运维之风电运维船[J].风能产业，2017(9)：36-39.

[3] 胡犇, 许晟, 梅国辉,等. 基于Patran的高速小水线面双体船有限元结构强度分析[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(10):46-49.

[4] 中国船级社. 国内航行海船建造规范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

[5] 中国船级社．海上高速船入级与建造规范[M]．北京：人民交通出版社，2012.