风电安装船坐底强度有限元计算

闫方超，郭 婷，关 婕

(1.上海佳豪船海工程研究设计有限公司，上海 201600；2.大连船舶重工集团有限公司， 辽宁 大连 116000)

0 引言

风电安装船作为一种新型的海上工作船，有效地缓解了海上风机运输和安装困难的问题。随着多国将“绿色能源转型”设定为未来经济发展的重点，在建及待建的海上风电项目数量骤然增加，让海上风电施工船市场一时措手不及。受其影响，具有风电安装能力的工程船“一船难求”。为了满足风电市场需求，包括风电安装、运维等，可以通过改造半潜驳的方式建造风电安装工程船，不但可以使船舶增加新的功能，提高船舶综合利用率，同时大大减少建造周期和建造成本，使得经济效益最大化。

广义上来讲，具有坐底功能的船舶规范存在于海洋工程平台，所以目前国内船级社对于船舶坐底计算没有完整的相关规范衡准。为了满足当前规范要求的情况下使该船具有坐底作业功能，则需得到“★CSA Submersible Offshore wind Turbine”的船级符号，从而需要参照《海上移动平台入级规范》(2020)对船舶结构坐底强度作直接计算及评估。

本文利用MSC-Patran/Nastran软件对“铁建潜01”坐底式风电安装改装船建立有限元模型并进行坐底强度计算分析，以满足目前规范要求。

1 结构改造

1.1 改造内容

本项目改造船为一艘非自航半潜甲板驳。为适应海上风电施工现场的风机安装需要，拟在本船上新增2台起重机和1个工作平台，并对原船进行适当的改造。改造后，本船能满足近海航区风机起吊安装作业要求，且仍具有半潜作业的功能。为满足改装船的功能，船体结构的主要改造内容如下：

(1)本次改建船主尺度维持不变，船型改为半潜驳船兼起重船船型，属于船舶重大改建。

(2)在船首部靠左舷举升甲板以上增设起重能力为6 000 kN的海工吊。该起重机作为本船起吊安装风机的主起重机。

(3)在船尾右舷尾塔楼顶甲板以上增设起重能力为8 00 kN的海工吊，该起重机将作为本船安装风机的辅助起重机。

为满足坐底工况的作业条件，对改装后的船舶结构进行坐底强度计算校核，从而满足中国船级社(CCS)《海上移动平台入级规范》(2020)的相关规范要求。

1.2 坐底作业工况

(1)干坐底工况。作业区域若有显著的涨退潮现象，在退潮期间，自然水深可下降至0时，导致船舶处于无水坐滩状态，称为干坐底工况。

(2)吃水坐底工况。由于海区的海底地质条件，泥面浅层为粉砂成分，极易在水流作用下产生物理迁移，进而导致海底与船底的接触条件发生改变。具体而言，当水流因船舶的存在产生绕射时，将带起海底泥沙的流动，产生船舶周界的掏空现象，实质减小了海底对船舶的支撑面积，导致船舶结构构件受力状态变化，严重时可导致船舶构件开裂破坏甚至船体梁断裂，这种工况称为吃水坐底工况。结构强度主要是由退潮水及冲刷现象对船体作业安全及结构安全造成的危险影响。

本文对本船坐底作业强度计算的假定如下：

(1)作业区域海底平整，无坚硬的突出物，如岩石等，假设海船为硬地不可压。

(2)坐底时，海水冲刷导致海床接触面靠近船舷位置有掏空现象，水流导致船底附近泥沙掏空区域的面积不超过20%。

(3)海底极限掏空区域与非掏空区域的交界线为直线。

(4)海床平面平整，坐底作业时船舶不发生滑移及海床不发生下沉，船体在海床坐底不入；船体无原始纵、横倾，平坐在海底。

2 有限元计算

2.1 有限元模型

本文采用MSC-Patran/Nastran有限元软件进行建模分析。三维有限元模型包括了船体各主要构件，如：甲板结构、舱壁结构及纵向、横向和垂向的桁材结构。计算模型的甲板板、舱壁板、桁材腹板等均模拟为4节点或3节点板单元；普通横梁、纵骨、桁材面板及撑杆等均模拟为2节点梁单元。整船计算分析模型见图1。本船为风电安装而进行的结构改造部分见图2。

图1 有限元计算模型

图2 新增工装平台(改装部分)

2.2 环境载荷

在船舶坐底计算中，要充分考虑船舶自身及环境载荷对船体坐底作业带来的可能影响。根据经验，主要考虑作业工况装载载荷、起重机载荷等主要环境载荷。

不同的装载工况决定了不同的压载水布置，从而影响对应作业工况下全船的质量分布。根据装载状态，本船坐底工况主要为坐底起重工况，又分为干坐底工况和吃水坐底工况。本文选取典型的起重工况进行校核，即对干坐底起重工况、12 m吃水坐底起重工况和18 m坐底起重工况进行主船体结构强度分析计算。

在本船尾部左舷平台甲板布置1台固定尾吊6 000 kN全回转重型起重机，其示意图见图3。根据技术方案要求，本船改造方案主起重机坐底按照3 500 kN设计。根据起重机厂家提供的技术资料，在举升甲板以上2 m位置的表面负载为：轴向力=17 520 kN，倾覆力矩=224 308 kN·m，回转力矩=15 585 kN·m，径向力=838 kN。

图3 起重机示意图(单位：mm)

自重载荷包括本船自重、不同计算工况下油水等装载重量及相关设备重量。12 m吃水坐底工况下船体承受对应水深的静水压力载荷云图见图4。

图4 12 m静水压力云图(单位：MPa)

除去主起重机、辅起重机、甲板机械设备等重量外，本次计算需要同时考虑在作业时风机平台上的质量。风机平台主要用于存放风机叶片、轮毂、塔筒、机舱部件，这些部件通过质量点模拟施加。

根据《海上移动平台入级规范》(2020)的相关要求，受到水流冲刷的影响，坐底面积按最不利的情况损失率为20%来计算，包络艏部及艉部。在本船坐底强度分析中共计算16种船底掏空工况。图5为艏部区域掏空的5种计算工况示意图。

根据船底掏空方式，有限元各计算工况边界条件设置在船底非掏空的坐底区域。

图5 艏部区域掏空计算工况示意图

为更加真实模拟海底接触情况，在坐底接触面的海床边界采用垂向线弹簧进行模拟。弹簧刚度值按照以下方法计算：

=

式中：为第几基床系数，kN/m；为线弹簧模型单位承载面积，m；为安全系数，取1.1～1.2。

在约束区域弹簧上端采用约束节点、方向线位移，下端采用约束节点方向线位移。

另外，考虑到坐底工况一般均为超压工况，超压重量位于船体首位塔楼，且对于船中区域坐底工况的假定条件之一是海船为硬地不可压。为更加接近实际情况模拟，需提高船中区域的约束弹簧刚度。

2.3 计算工况

本船坐底强度分析主要包括3种坐底工况：干坐底起重工况、10 m吃水坐底起重工况、坐底自存工况。每种坐底工况分别涵盖了8种起重机吊臂角度位置16种船底掏空情况，总共组合出387个有限元计算校核工况(384个掏空情况下子工况，3个非掏空情况下的子工况)。

2.4 强度衡准

参考《海上移动平台入级规范》(2020)的相关规定，板单元许用应力[]为

[]=/

式中：为板单元应力，MPa；为安全系数，对于板单元，=1.43。

基于上述的载荷加载及约束条件对全船进行强度分析计算，并在满足上述衡准的要求下对船体结构进行加强。本船原船为普通钢(MS)，许用应力[]=170 MPa；本船新增改造区域均使用高强度钢(AH36)，许用应力为[]=248 MPa。

3 计算结果分析

各个工况计算后所有工况的板单元应力的包络应力值云图见图6。

图6 板单元合成应力分布(单位：MPa)

由于计算工况过多，在后处理时对每个计算工况的计算结果进行了包络处理，取各个计算工况最大值进行显示，见表1。

表1 计算结果统计 单位：MPa

根据以上坐底作业工况有限元强度计算分析，得出以下结论：

(1)计算结果显示：本船3种坐底工况中，干坐底起重工况下结构应力水平相对较高；对于原船普通钢，最大单元合成应力的典型工况为起重机45°起吊、艏部45°掏空的计算工况，见图7；对于高强度钢(AH36)，最大应力工况则出现在起重机35°起吊、船底左舷60°掏空的计算工况下，见图8；其他吃水坐底工况应力水平接近。对于起重机舷侧的掏空工况需要重点关注，属于高应力计算工况。

图7 干坐底起重普通钢危险工况的应力云图(单位：MPa)

图8 干坐底起重高强度钢危险工况的应力云图(单位：MPa)

(2)坐底作业工况计算中，需要重点考虑船体横纵舱壁、纵行、船底板等区域的应力水平，尤其是掏空约束附近。

(3)对于坐底掏空区域约束附近区域的加强，需要考虑掏空面积多角度的变化带来的加强区域的变化，加强区域要覆盖整个约束附近区域。本次计算因坐底作业对原船进行的改造加强区域示意图见图9。

4 结论

(1)通过对本船坐底起重工况进行有限元建模计算，本船坐底作业在本文设定的载荷工况及掏空情况下结构强度满足《海上移动平台入级规范》(2020)要求。

(2)为保证船舶的作业安全，在实际坐底过程中，首先要确定海底实际情况，尽量避免海底本身的凹坑等危险海底地形。

图9 高强度钢(AH36)的应力云图(单位：MPa)

(3)在船舶坐底作业时，操作人员必须密切关注作业时船舶结构的应力变化或者变形情况，尤其船底出现掏空海底地形时，重点关注安装起重机的船体区域。

(4)必要时应采取措施防止船体结构应力超过许用值，包括安装应力监控系统以监控船体变形等。必要时停止作业，更换作业海域等。