2023海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)強度分析

海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)強度分析引言近年來，隨著全球環(huán)境污染與能源緊缺問題的日趨嚴重，風(fēng)能作為一種可再生的無污染能源，其發(fā)展得到了廣泛的重視。同時，陸上可用空間的有限性與海上更豐富的風(fēng)能資源，海上風(fēng)能的開發(fā)日益受1991年至2009382056MW，占世界海上風(fēng)電裝機容量的三分之二，其中有一半以上的海上風(fēng)電場是近五年建成[1]。我國目前已建成142MW[2]20203000KW[3]。對風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)強度的研究可采用實驗方法、解析方法和數(shù)值分析方法三種方法，高額的試驗成本限制了實驗方法的應(yīng)用，直接計算與數(shù)值計算成為研究者最常采用的方法。諶宗琦，朱翔等人采用直接計算法，對航行工況下的自升自航式風(fēng)電安裝船總強度進行了評估，提出的方法可以為自升式風(fēng)車安裝船的整體強度評估與船型優(yōu)化提供一定的依據(jù)[4]。姚震球，唐文獻等對一艘已完成的海上風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部位進行了有限元建模分析，得出風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力[5]；隨后，他們又對海上風(fēng)電吊裝作業(yè)船的最危險工況——風(fēng)暴自存狀態(tài)下船舶的結(jié)構(gòu)強度進行了分析[6]。強度的分析自此有了革命性的突破[7]ABAQUS86.7米的近海風(fēng)電安8種典型工況下風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)強度分析，為海上風(fēng)電安裝船結(jié)構(gòu)強度分析提供了可供參考的數(shù)值方法。全船有限元模型的建立45MW風(fēng)電機組。為將船體上升到海平面得以使自身的吊裝作業(yè)工作環(huán)境平4360度旋轉(zhuǎn)的起重吊機。風(fēng)電安裝船全船有限元模型見圖1船尾部艉封板延伸面與底板延生面的交線的中點，X軸正向指向船首，Y軸正向指向船左舷，Z軸正向垂直向上。船體內(nèi)部艙壁分布情況見圖2。建立模型時主要采用以下兩種單元類型：板殼單元(shellelement)與梁單元(beamelement)。板殼單元有平面內(nèi)的彎曲剛度，能夠承受彎曲應(yīng)力和平面內(nèi)的正應(yīng)力與剪應(yīng)力；梁單元有兩主軸慣性矩以及截面積，能承受拉壓與彎曲。ABAQUSABAQUS加強作用的，于是使用“綁定”約束能得到較好的模擬效果。網(wǎng)格數(shù)量對計算的精度與計算的時間有最直接的影響。對于船舶結(jié)構(gòu)來說，有相對較為成熟的網(wǎng)格劃分原則：沿船長方向主要依據(jù)船體的肋位分布，船寬方向上參考船體的縱骨分布[8]。本文中，考慮到所研究的船舶為特殊的工程船，應(yīng)力水平較普通水面型船舶較大且計算精度要求較高，因此網(wǎng)格密度保持在一個縱骨間距三個單元的量級水平，目的在于使結(jié)構(gòu)單元更為精細。主要構(gòu)件的四邊形單元邊長比不超過1:2。最終全船有限元模型共有節(jié)點649,868個，單元766,109個。計算工況的確定該風(fēng)電安裝船所受到的載荷包括重力及功能載荷，環(huán)境載荷、設(shè)計與貨物載荷。Figure1.Finiteelementmodelofthewholeship圖Figure1.Finiteelementmodelofthewholeship圖1.全船有限元模型Figure2.Figure2.Finiteelementmodelofshiphull圖2.船體內(nèi)部有限元模型重力及功能載荷3140.4t100t，根據(jù)輪機設(shè)MPC多點約束)t340.8t，以面壓力的方式施加到模型中的對應(yīng)艙室中的底面上；船上共設(shè)置了4個壓載水艙來調(diào)整船舶的浮態(tài)。在載荷的計算中，使用面壓力的形式將壓載水載荷施加到壓載水艙內(nèi)的底板上。環(huán)境載荷(作業(yè)工況)6級(10.8~13.813.5m/s27kn)P的計算公式參考規(guī)范[9]按式(1)：V——設(shè)計風(fēng)速，m/s。

P0.613103V2KPa

(1)作用于構(gòu)件上的風(fēng)力按式(2)計算，并應(yīng)確定合力作用點的垂直高度。FwChCSSPkN

(2)式中：P——風(fēng)壓，KPa；hSh(構(gòu)件型心到設(shè)計水面的垂直距離)CS——受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)，可以根據(jù)風(fēng)洞試驗確定。h波浪力考慮小尺度孤立樁柱上的波浪力，參考莫里遜公式進行計算[9]：kNm——單位長度上的曳力，kN/m——單位長度上的慣性力，kN/m。作用在平臺水下部分構(gòu)件的海流載荷可按式(4)計算[9]；

(3)F1Cf 2

D

V2A

(4)其中：C——曳力系數(shù)；——海水密度，t/m3；V——設(shè)計海流流速，m/s；A——構(gòu)件在與流速垂D W直平面上的投影面積，m2。設(shè)計載荷與貨物載荷本工作船使用的起重機重量約為600t，其中吊臂的重量為120t。本船對風(fēng)電機組的裝載量的設(shè)計是45MW的風(fēng)機，采用“兔耳式”運輸方式進行裝載運輸。所謂的“兔耳式”5MW61.6t14.3t6.1t。在船長方向上左右舷依次放置兩個機艙和兔耳。兔耳重量以面積力形式加載。計算工況的確定本研究選取工況包括自升后固定，正常作業(yè)起吊以及保證自升式鉆井平臺地基穩(wěn)定性而預(yù)先施加垂直載荷的下樁預(yù)壓等不同作業(yè)狀態(tài)和環(huán)境組合工8種工況。具體說明詳見表1。計算結(jié)果和強度校核1號工況自升后的固定時船體應(yīng)力結(jié)果見圖3。吊機支座固樁架下樁腿、吊機支座固樁架下樁腿邊、吊機底座固樁架內(nèi)部齒輪齒條嚙合處應(yīng)力結(jié)果分別見圖4~6。選擇吊機底座樁腿、固樁架、樁靴以及橫艙壁、舷側(cè)外板、縱艙壁作為海上風(fēng)電安裝船關(guān)鍵觀察局部點進行結(jié)構(gòu)強度校核。許用應(yīng)力按照式(5)進行計算[9]。sMPaSS為安全系數(shù)，選取依據(jù)表2，船體各部分材料的許用應(yīng)力如3。

(5)不同工況作用下風(fēng)電安裝船關(guān)鍵部位強度校核結(jié)果見vonMises應(yīng)力結(jié)果。+7.231e+01+6.628e+01+6.026e+01+5.423e+01+7.231e+01+6.628e+01+6.026e+01+5.423e+01+4.820e+01+4.218e+01+3.615e+01+3.013e+01+2.410e+01+1.808e+01+1.205e+01+6.026e+00+1.090e-16S,MisesSNEG,(fraction(平均：75%)Figure3.Stressresultsofhullincase13.1時船體應(yīng)力結(jié)果+1.204e+02+1.103e+02+1.003e+02+9.028e+01+8.025e+01+7.022e+01+6.019e+01+5.015e+01+4.012e+01+3.009e+01+2.006e+01+1.003e+01+0.000e+00S,MisesSNEG,(fraction=-1.0)(平均：75%)Figure4.Stressdistributionofpilelegunderthesupportofcrane圖4.吊機支座固樁架下樁腿的應(yīng)力分布Figure5.Stressdistributionofthepileframeofthecrane圖5.Figure5.Stressdistributionofthepileframeofthecrane圖5.吊機基座固樁架應(yīng)力分布Figure6.Stressdistributionofthegearrackandpinionintheframeoftheliftingmachine圖6.吊機底座固樁架內(nèi)部齒輪齒條嚙合處應(yīng)力分布Table1.Casesofwindpowerinstallationvessel表1.風(fēng)電安裝船的工況確定工況號作業(yè)狀態(tài)風(fēng)向吊重吊臂狀態(tài)1自升后固定橫風(fēng)無固定2自升后固定迎風(fēng)無固定3正常作業(yè)起吊迎風(fēng)風(fēng)機自重沿船長方向4正常作業(yè)起吊橫風(fēng)風(fēng)機自重沿船長方向5正常作業(yè)起吊迎風(fēng)風(fēng)機自重沿船寬方向6正常作業(yè)起吊橫風(fēng)風(fēng)機自重沿船寬方向7預(yù)壓迎風(fēng)無固定8預(yù)壓橫風(fēng)無固定Table2.Valuesofsafetyfactor表2.安全系數(shù)取用值靜載工況組合工況軸向、彎曲應(yīng)力1.671.25剪切應(yīng)力2.501.88Table3.Criticalstressofeachpartofthehull表3.船體各部位高應(yīng)力強度校核時許用應(yīng)力Table3.Criticalstressofeachpartofthehull表3.船體各部位高應(yīng)力強度校核時許用應(yīng)力船體部位需用應(yīng)力(MPa)船體鋼板板材235樁腿外板301骨架、固樁架301樁靴301Table4.Summaryofstressresultsofshiphullatdifferentcases(unit:MPa)Table4.Summaryofstressresultsofshiphullatdifferentcases(unit:MPa)表4.各工況下船體各部位應(yīng)力結(jié)果匯總(單位：MPa)部位工況甲板底板樁腿固樁架樁靴橫艙壁舷側(cè)外板縱艙壁160.0829.65100.872.31120.416.6339.1439.35259.7129.46100.873.27120.816.643939.343154.866.0587.62117.6104.645.6191.53102.74155.265.9787.64117.3104.245.6191.58102.55176.261.39203.1174.8243.693.1782.11148.2617561.26203.3174243.292.8981.93134767.0545.04174122.2197.924.1854.8570.66