异形风电平台的横向强度计算

2022-03-04黄宝安

江苏船舶 2022年6期

李雄，黄宝安，陈强，郭翔

(北京数码易知科技发展责任有限公司，北京100007)

0 引言

海上风电具有清洁环保、资源丰富且不占用陆上土地面积等诸多优势。为了实现“碳达峰”和“碳中和”目标，近年来，我国大力鼓励开发和推广海上风电能源，海上风电项目建设如火如荼。

某异形风电平台为海上风电项目的配套海洋工程，主要用于整体运输风力发电机的筒体、机头、叶片及其基础(以下简称“风电机组”)，即在岸边将风电机组整体组装完成，通过平台运输到海上指定风力发电场，并由平台将风电机组一次性放置到位。该平台主体是一艘非自航(在运输过程中)驳船，设计了能够搭载2台风机的“H”型，艏艉分别开有适应筒形基础的U型槽位，并依据筒体直径及过渡段直径尺寸设计成下宽上窄结构，能够对筒形基础进行三向约束，保证与船体运动同步。甲板上设置桁架结构，对风机高位进行固定，避免风机机头横摇而使机身与基座连接处产生应力集中。

由于该异形风电平台外型新颖，结构形式特殊，为此本文采用有限元计算软件MSC PATRAN/NASTRAN进行直接计算的方法来校核船体横向强度。

1 船体强度理论

船体强度是指船舶的船体结构在规定条件下抵抗各种外力不致造成严重变形或破坏的能力[1]。研究船体强度，主要是为了保证船舶设计载荷满足设计要求，确保船舶安全航行，并具有较为经济的结构重量和较好的施工性。

1.1 总纵强度

船舶受到外载荷的作用会产生总纵弯曲。若船体结构的强度和刚性不足，会使船舶总体或局部的结构产生大变形，严重时可能会造成船体断裂。把船体结构抵抗纵向弯曲从而使整体结构不遭受损坏的能力称为总纵强度[2]。船体结构遭到严重的破坏后，船舶及人员的生命财产安全将会遭到威胁，故船舶的总纵强度是船舶设计、制造与运营过程中必须高度重视并密切关注的问题。

1.2 横向强度

船舶漂浮在水中时，除了产生总纵弯曲外，同时也会产生横向弯曲。横向强度是指横向构件(如肋骨框架和横舱壁)抵抗横向载荷不至破坏和永久变形的能力[2]。船舶在水中处于漂浮状态时，除了要承受总纵弯矩的作用外,其横向还会承受水的压力和波浪对船体外板的冲击力等外载荷。船体外板受到的水压力随着吃水的增加也逐渐增加,这样对船体横向强度也提出了更高的要求。另外,船舶在与其他船舶协同作业时,有可能因为操作失误而出现相互碰撞的情况,因此对舷侧部分的强度也有一定要求。

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文采用MSC PATRAN/NASTRAN计算软件建立平台模型。模型中长度单位采用mm，力单位采用N，质量单位采用t。平台模型为空间板壳单元与梁单元的组合结构，其中：梁单元用于模拟平台主体强横梁、纵桁、舱壁垂直和水平扶强材、支柱、边舱支柱等强力构件，主要采用2节点梁单元模拟；板壳单元用于模拟主甲板、底板、船体外围板、舱壁板等结构，主要采用3节点和4节点板单元模拟[3]。全船采用普通钢，桁架采用Q345钢，材料属性如下：杨氏模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.85×10-9t/mm3，普通钢合成应力为235 MPa，Q345钢合成应力为345 MPa。

2.2 模型范围

由于该平台在船体中部设有甲板室，船体中部甲板面上设有用来支撑风机的大型桁架结构物。桁架结构物的脚端坐落在左右两舷边上，其对横向强度的影响非常大，且大型桁架本体的重力及其承受的风载荷等外载荷是不可忽视的。为了较为合理分析该平台的横向强度，本文根据中国船级社《钢质海船入级规范》(2022)(下文简称《海规》)中横向强度校核方法对该平台船体横向强度进行校核，加以考虑船体中部设有甲板室及大型桁架结构物对横向强度带来的影响。

模型1为一个典型舱段横向强度模型，见图1，横向范围为全宽模型，舱段模型的纵向范围为肋位Fr42～ Fr128，垂向范围为船体型深。模型2为保留桁架结构物及甲板室结构模型，见图2。模型2横向范围为全宽模型，舱段模型的纵向范围为肋位Fr42～ Fr128，垂向范围从船底板至桁架顶面。计算坐标系采用笛卡尔直角坐标系：X轴正向为自船尾指向船首，Y轴正向为自右舷指向左舷，Z轴正向为自基线指向垂直正上方。

图1 典型舱段横向强度模型(模型1)

图2 桁架结构物及甲板室结构模型(模型2)

2.3 边界条件

按《海规》对有限元模型边界条件取用原则的规定：模型前后两端横舱壁边缘上所有节点均约束3个线位移(Dx=Dy=Dz=0)[4]。边界条件见表1。

表1 边界条件

本文中具体模型边界约束见图3和图4。

图3 边界条件示意图(模型1)

图4 边界条件示意图(模型2)

3 计算工况及载荷

3.1 计算工况

根据《海规》要求，考虑下列2种计算情况：

对称工况：甲板最大许用载荷+舷外静水压力+由外向内作用的两舷对称受压的波浪动压力[5]。

非对称工况：甲板最大许用载荷+舷外静水压力+一舷由外向内、另一舷由内向外作用的反对称波浪动压力[5]。

综上，本文设置4组计算工况，见表2。

表2 计算工况表

3.2 计算载荷

根据《海规》要求，横向强度计算工况仅考虑甲板最大许用载荷和舷外水压力的作用，不考虑船体梁弯矩作用。

根据图纸资料，甲板载荷取为200 kPa，均布于甲板上。结构自重、定义加速度和材料属性由软件自动加入。

根据《海规》，舷外水压力载荷(静水压力+波浪动压)作用于船体外板[5]，并按如下要求计算：

PB=10d±1.5C

(1)

Pw=±3C

(2)

Ps=3P0

(3)

P0=C-0.67(D-d)

(4)

(5)

式中：PB为基线处的水压，kPa；d为吃水，m；C为系数；Pw为水线处的水压，kPa；Ps为舷侧顶端处的水压，kPa；P0为基准参考水压，kPa；L为船长，m；D为型深，m。

为考虑横向波浪作用沿船长局部范围内产生的效果，在计算工况中采用施加在两舷的不对称的舷外水压力来模拟。可假定在一舷侧受到静水压力和波浪压力的叠加作用，另一舷侧受静水压力与反向波浪动压的作用 (波浪系数取负值)，但计算值小于0时取0计入[5]。

载荷分布见图5，载荷计算结果见表3。

C—系数；d—吃水；P0—基准参考水压。

表3 计算载荷表

4 计算结果

4.1 强度衡准

根据《海规》要求，各个工况下，各构件的计算应力应不大于表4中规定的相应许用应力值。

4.2 校核结果

根据《海规》要求，有限元计算结果评估的取值范围应基于模型中间的1个横向强框架。本文模型1结果评估的取值范围基于模型两舱壁中间的1个横向强框架；模型2的结果评估则基于模型中间的1道横舱壁。结构强度有限元分析结果见表5。模型1垂直桁腹板和模型2舱壁板的最大相当应力云图见图6和图7。

表4 许用应力单位：MPa

表5 直接计算结果单位：MPa

图6 垂直桁腹板最大相当应力云图(模型1)(单位：MPa)

图7 舱壁板最大相当应力云图(模型2)(单位：MPa)

通过表5可知：模型1中间的目标横向强框架垂直桁最大应力在靠近甲板处，为123 MPa；强横梁最大应力在与纵舱壁相交处，为170 MPa；模型2中间的目标横舱壁最大应力在与纵舱壁相交处，为161 MPa。模型1和模型2的应力趋势比较相近，最大应力在强支撑过渡处，由横向载荷遇到强支撑结构而由结构突变导致应力突变。