29.6 m高速双体风电运维船有限元强度分析

周 成， 王志永，程海刚

(1.无锡东方船研高性能船艇工程有限公司，江苏 无锡 214082；2. 陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻哈尔滨地区第二军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

海上风力发电作为可再生资源开发的重要方向之一，已成全球关注的焦点。随着海上风电设施不断的投入运营，运维船作为专门用于风电场日常维护的船舶，需求量将逐渐增加[1-2]。目前，国内市场上风电运维船以专业双体船较为适用。该船型具有兴波阻力小、甲板面积大、稳性好等优点。与单体船相比，双体船不仅要承受纵向弯曲力矩，同时在连接桥与片体连接处，特别是首尾抗扭箱处还要承受非常大的横向弯曲力矩和扭矩，因此连接桥与片体连接处的强度是双体船结构设计的关键。高速船船体结构强度不能预留较大的安全余量，应该在应力较大位置作合理的结构加强，这样才能既保证强度满足规范的要求，又能控制住空船重量。

本文以29.6 m高速双体风电运维船抗扭箱与片体连接处的结构为研究对象，运用有限元软件进行总横强度和扭转强度核算。

1 船型特点和主要参数

29.6 m高速双体风电运维船为艉机型、双柴油机、双全回转导管舵桨推进的常规双体船型，用于风力发电厂风机的日常维护。全船设置二层甲板，服务航区为近海，抗风等级为7级。除大雾等特殊气候条件外，该船需满足6级风2 m浪顶靠桩的要求。靠泊方式为顶靠风机桩柱，侧靠升压站。为了控制重量，主船体采用CCS-A钢板，上层建筑板材采用5083-H116铝合金，钢材和铝材之间用钢铝过渡接头连接。主船体采用纵骨架式结构，连接桥设计时中部采用单甲板横骨架式结构，在艏部及艉部设抗扭箱。该船主要尺度参数如下：

总长28.13 m，计算船长28.13 m，型宽8.40 m，片体宽2.60 m，计算型深3.10 m，设计吃水1.61 m，最大航速16.1 kn，坐标肋距0.6。

2 有限元模型

本文运用MSC.Patran软件进行建模，用Nastran进行计算分析。全船模型范围：宽度范围覆盖整船型宽，纵向范围覆盖整个船长，垂向范围为基线到主甲板及升高甲板。建模时， 船底板、舷侧外板、内舷板、舱壁板、甲板等平板结构用板单元模拟；实肋板、中内龙骨、甲板纵桁、强横梁腹板、连接桥强横梁、纵桁腹板、舷侧桁材腹板、舱壁桁材等腹板用板单元模拟，面板用梁单元模拟；普通骨材用梁单元模拟。依据规范，该船上层建筑不计入总强度，因此此次计算中不建立上层建筑部分。模型长度单位：mm。主船体材为CCS-A，钢材弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。主船体三维结构模型见图1、图2。

图1 主船体结构三维模型

图2 主船体强框架三维模型

3 设计载荷及边界条件

3.1 计算载荷

根据《海上高速船入级与建造规范》[3](2015)(简称《规范》)要求，应校核29.6 m高速双体风电运维双体船在波浪中高速航行时的总横强度和扭转强度，相关载荷结果汇总见表1。

表1 计算载荷

3.2 等效载荷

计算载荷以等效载荷的方式施加在有限元模型上。等效方式按如下方式处理：

(1)横向对开力：在连接桥长度范围内将横向对开力转化为均布载荷施加在距基线约0.5倍设计吃水高度外板上。载荷实际施加时将均布载荷均分成多段，并等效成集中力施加于附近节点上。等效载荷q按式(1)计算：

q=Fy/Lb

(1)

式中：q为等效载荷，kN/m；Fy为横向对开力，kN；Lb为连接桥纵向长度，m。

(2)横向扭矩：扭矩以片体半船长上反对称分布的均布载荷等效P按式(2)计算[4]：

P=4Mty/L2

(2)

式中：Mty为横向扭矩，kN·m；L为计算船长,m。

载荷实际施加于片体舷侧，以等效集中力形式施加于舷侧节点上。

3.3 工况组合载荷

根据《规范》要求，对本船的总横强度、扭转强度等进行校核，计算工况如下：

工况1：Fy(向舷外)

工况2：Fy(向舷内)

工况3：0.8Fy(向舷外)+0.6Mty

工况4：0.8Fy(向舷内)+0.6Mty

工况5：0.6Fy(向舷外)+0.8Mty

工况6：0.6Fy(向舷内)+0.8Mty

3.4 边界条件

根据《规范》附录2(高速船船体结构计算指南)要求，考虑不同工况下的特殊情况分别设置约束条件。使用 6 个位移分量约束限制全船模型的空间刚体运动，而不影响船体各部分的相对变形，建议的约束模式见图 3、图4。建模时约束A点的x、y、z3个位移分量，约束B点的y、z位移分量和约束C点的z向分量。图中：x方向为船体的纵向，向船首方向为正；y方向为船体的横向，向左舷为正；z方向为船体的垂向，向上为正。

图3 工况1、工况2型边界条件

图4 工况3～工况6型边界条件

4 强度校核标准

依据《规范》附录 2 要求，总强度计算的构件应力应不大于附录2中表 4.4 所列许用应力。本船采用CCS-A，其屈服强度为235 MPa，板单元等效应力许用值164.5 MPa，剪切应力许用值89.3 MPa。工况1、工况2应力云图见图5，工况3～工况6应力云图见图6。

从有限元分析结果可以看出，最大应力发生在首尾连接桥抗扭箱与内壳板角隅连接处，以及横舱壁与内壳板角隅连接处。对该区域内所有单元嵌入局部网格细化，细化网格大小不超过50 mm×50 mm，模型中细化部分的应力见图7。根据附录中表6.4，细化后的板单元等效应力为1.2σsw(σsw为材料焊接后的屈服强度)，结果见表2。

图5 工况1、工况2应力云图

表2 结构应力汇总表 单位：MPa

5 结论

(1)本船最大应力点发生在首尾连接桥抗扭箱与内壳板角隅连接处，以及横舱壁与内壳板角隅连接处。在设计结构时，对内壳板角隅处的结构予以适当加强，对于应力集中区舱壁及板角隅板材进行加厚处理。

(2)出现局部区域应力超出许用值范围情况时，采用局部区域细化模型。这不但保证了船舶结构的强度满足要求，而且避免了对船体结构进行大范围的加强，为船舶空船重量的控制提供了有力的保证。

图6 工况3～工况6应力云图

图7 嵌入细化网格的有限元模型(局部)