劉建峰

(南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，江蘇南通226005)

1 風(fēng)電安裝船主要參數(shù)

風(fēng)電安裝船船長(zhǎng)133.25 m，寬39 m，型深9 m，設(shè)計(jì)吃水5.8 m，作業(yè)水深達(dá)45 m，裝備有4條圓形樁腿結(jié)構(gòu)液壓提升裝置系統(tǒng)和環(huán)繞樁腿的900 t旋轉(zhuǎn)海洋起重機(jī);艏部配備2個(gè)側(cè)推和1個(gè)可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艉部配備3個(gè)電力推進(jìn)的VOITH櫓槳，在淺水海域機(jī)動(dòng)性能出眾，并配有先進(jìn)的DP2動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng);具有3 000 m2以上的甲板重載貨區(qū)域，甲板重載貨區(qū)載荷達(dá)到15 t/m2，局部線性載荷達(dá)40 t/m，提升甲板載荷達(dá)到5 000 t;每一航程次可裝載10套風(fēng)車(chē)構(gòu)件進(jìn)行海上安裝作業(yè);設(shè)計(jì)符合DNV CLEAN綠色環(huán)保要求，并同時(shí)滿足DNV船級(jí)社對(duì)自升式海洋工程裝備和遠(yuǎn)洋自航貨船的雙重規(guī)范要求，以及符合丹麥的海事標(biāo)準(zhǔn)。

自升式海上風(fēng)電安裝船側(cè)視總圖如圖1所示。

圖1 側(cè)視總圖

這種類(lèi)型的具備自航能力的自升式海上風(fēng)電安裝船兼具自升式平臺(tái)和浮式自航船舶的優(yōu)點(diǎn)，具有將風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)一起運(yùn)送至風(fēng)電場(chǎng)的能力，配備適合各種場(chǎng)景下安裝的起重設(shè)備和定位設(shè)備，能夠?yàn)橄乱淮Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)最大水深45 m的海域提供基本的安裝和維護(hù)功能，有效克服了風(fēng)機(jī)安裝的大型化和離岸化的限制，是當(dāng)前發(fā)展海上風(fēng)電場(chǎng)的首選裝備。

2 分析方法

2.1 方法介紹

對(duì)船體的疲勞分析建立在整體有限元分析的模型和定義負(fù)載條件的基礎(chǔ)上。整體有限元分析中的模型和負(fù)載對(duì)于全船強(qiáng)度分析來(lái)說(shuō)是很全面的，但對(duì)于疲勞分析還不夠詳細(xì)，對(duì)疲勞損傷系數(shù)超過(guò)0.5的節(jié)點(diǎn)和區(qū)域需要更詳細(xì)的建模。

依據(jù)每個(gè)單獨(dú)的負(fù)載條件確定累積的疲勞損傷，最后所有疲勞損傷的組合應(yīng)低于本船設(shè)計(jì)疲勞系數(shù)DFF=1。分析分2個(gè)步驟進(jìn)行，第一步是確定在整體模型應(yīng)用載荷條件下的疲勞敏感位置，調(diào)節(jié)疲勞分析的預(yù)加負(fù)載。第二步是詳細(xì)考慮累積疲勞損傷系數(shù)大于0.5的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)或區(qū)域，這一步中僅預(yù)加載荷疲勞被確定和按照在累積疲勞損傷與第一步中確定的預(yù)加負(fù)載疲勞損傷之間的系數(shù)比例。

2.2 參數(shù)

設(shè)計(jì)使用壽命20年，分為四部分周期:

(1)無(wú)限航區(qū)航行運(yùn)輸:1年。

(2)停泊場(chǎng)所移動(dòng)的運(yùn)輸:4年(港口至風(fēng)電場(chǎng)或風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)或風(fēng)電場(chǎng)至港口)。

(3)抬起狀態(tài):14年(預(yù)加載荷，提升，工作運(yùn)行，港口內(nèi)負(fù)載)。

(4)閑置狀態(tài):1年(在港口或干塢內(nèi)等)。

在抬起狀態(tài)的14年周期內(nèi)，預(yù)設(shè)提升抬起和下降回到海面的循環(huán)周期數(shù)量為每2天1次，即2 555個(gè)周期。船載900 t主起重機(jī)安裝在左舷艉部樁腿的提升室頂上，見(jiàn)1、圖2、圖3。對(duì)由于起重機(jī)操作對(duì)提升室結(jié)構(gòu)引起的疲勞損傷分析采用33 000個(gè)循環(huán)周期和幅度系數(shù)0.34。

圖2 甲板俯視總圖

圖3 主起重機(jī)安裝位置橫剖面圖

2.3 需考慮的疲勞損傷工況

2.3.1 無(wú)限航區(qū)航行運(yùn)輸

長(zhǎng)距離運(yùn)輸就是從一個(gè)工作區(qū)域到另一個(gè)工作區(qū)域，這種工況下可能會(huì)遇到惡劣的天氣。

(1)周期:1年，包括頭波30%，45°波30%，315°波30%，橫波10%的4種狀態(tài)。

(2)主要應(yīng)力:中拱撓度靜水彎矩的應(yīng)力，不同波況和橫波引起的中橫和中垂波浪彎矩的應(yīng)力。

(3)通過(guò)不同的船中的波峰和船中的波谷對(duì)頭波和船尾側(cè)波計(jì)算應(yīng)力變化范圍，最大波高10 m。

(4)威布爾系數(shù)1.0，100年出現(xiàn)一次的波。

(5)由于樁腿或主起重機(jī)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的船體力矩(100 MN·m)相對(duì)于在船中的最大力矩(1 350 MN·m)和在船中為0時(shí)是小的，可忽略的。

2.3.2 停泊場(chǎng)所移動(dòng)的運(yùn)輸

短距離運(yùn)輸是指從港口到風(fēng)電場(chǎng)或在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)或風(fēng)電場(chǎng)至港口。這種情況都是在天氣限制了操作運(yùn)行時(shí)的有計(jì)劃的轉(zhuǎn)移，并且受到波高的限制。

(1)周期:4年。

(2)基于相同的波分布和應(yīng)力，結(jié)果是不受限的?？紤]到場(chǎng)所移動(dòng)的最大波高為3.5 m，將應(yīng)力變化范圍乘以0.35。

(3)威布爾系數(shù)1.5，波浪1年發(fā)生1次。

2.3.3 提升抬起和下降回到海面

船體應(yīng)力由于浮態(tài)至抬起狀態(tài)的靜態(tài)載荷的變化而相應(yīng)的改變，以及預(yù)加負(fù)載操作所必需的載荷變化。

(1)轉(zhuǎn)移或運(yùn)輸中的靜水中拱應(yīng)力、抬起的靜態(tài)操作應(yīng)力、靜態(tài)預(yù)加載荷應(yīng)力。

(2)一個(gè)完整提升的工作過(guò)程為:

①浮態(tài);

②提升出水;

③最大75%預(yù)載荷;

④最大預(yù)載荷;

⑤提升至船底距水面的要求高度;

⑥下降到水面;

⑦浮態(tài)。

(3)確定應(yīng)力范圍和計(jì)算疲勞損傷:

①靜態(tài)浮態(tài)至靜態(tài)抬起狀態(tài);

②預(yù)加負(fù)載荷，并考慮到安裝的開(kāi)始階段預(yù)加負(fù)載的減少。

(4)以上兩個(gè)應(yīng)力范圍中如包含任一被考慮的負(fù)載條件(如運(yùn)輸、抬起等)，如果提升抬起和下降回到海面過(guò)程的最大應(yīng)力是在上述兩種應(yīng)力范圍之內(nèi)，則疲勞損傷計(jì)算僅使用這兩個(gè)范圍是可行的。如果其他的工況組合導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)更大的應(yīng)力變化，有效應(yīng)力范圍就需要使用雨流分析確定，這將導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)更大的最大應(yīng)力差作為應(yīng)力范圍。

2.3.4 抬起狀態(tài)的波浪載荷

波浪載荷在抬起狀態(tài)引起船體的應(yīng)力變化。

(1)周期:14年。

(2)抬起的幸存負(fù)載的應(yīng)力作用。

(3)由180°不同的波方向差計(jì)算應(yīng)力范圍，考慮了8個(gè)方向，方向分布均勻。

(4)威布爾系數(shù)1.0。

2.3.5 起重機(jī)操作

起重機(jī)操作引起船體的應(yīng)力變化。

(1)33 000循環(huán)周期，起重載荷系數(shù)為0.34。

(2)靜態(tài)起重機(jī)設(shè)計(jì)載荷。

(3)由180°不同的起吊方向差計(jì)算應(yīng)力范圍，考慮8個(gè)方向。

至于閑置狀態(tài)，安裝船在閑置期間是在一個(gè)受保護(hù)的場(chǎng)所內(nèi)，并且所受負(fù)載是可忽略的，可視為沒(méi)有疲勞損傷發(fā)生。

3 模型和負(fù)載

3.1 結(jié)構(gòu)模型

分析使用的模型與有限元的類(lèi)似，如本文2.1所述，2個(gè)步驟都使用獨(dú)立的模型。第一步，模型和有限元分析的相同，全景視圖如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)模型的全景視圖

第二步，累積疲勞損傷超過(guò)0.5的一些節(jié)點(diǎn)和區(qū)域被更詳細(xì)的建模計(jì)算。

此外，考慮到應(yīng)力集中，生活區(qū)后壁與主甲板板連接處的板厚也被詳細(xì)建模。

3.2 負(fù)載

(1)靜水彎矩中拱的應(yīng)力。

(2)頭波中拱波浪彎曲應(yīng)力。

(3)頭波中垂波浪彎曲應(yīng)力。

(4)抬起的靜態(tài)操作應(yīng)力。

(5)靜態(tài)預(yù)加載荷應(yīng)力。

(6)抬起后逐步45°的幸存載荷產(chǎn)生的應(yīng)力。

(7)逐步45°的靜態(tài)船載起重機(jī)負(fù)載產(chǎn)生的應(yīng)力。

除了上述運(yùn)輸過(guò)程中4種附加載荷工況下的船體扭矩，額外的還需考慮的負(fù)載工況有:

(1)45°船尾側(cè)波，波峰在船中。

(2)45°船尾側(cè)波，波浪穿過(guò)船中。

(3)315°船尾側(cè)波，波峰在船中。

(4)315°船尾側(cè)波，波浪穿過(guò)船中。

根據(jù)以上的應(yīng)力計(jì)算分析應(yīng)力變化范圍和相關(guān)的疲勞損傷。

4 計(jì)算結(jié)果

在考慮整體模型的疲勞損傷基礎(chǔ)上，對(duì)船體結(jié)構(gòu)累積疲勞損傷0.5以上區(qū)域進(jìn)行了更詳細(xì)的模型分析，包括主甲板艙口開(kāi)孔、生活區(qū)與主甲板的連接、縱艙壁上的開(kāi)孔、橫艙壁上的開(kāi)孔等所有可能涉及危險(xiǎn)的區(qū)域部分，詳細(xì)區(qū)域變化的單元網(wǎng)格或厚度參數(shù)，并應(yīng)用雨流法修正，分析最大疲勞損傷，反映由于預(yù)載荷變化引起的疲勞損傷。

根據(jù)計(jì)算，生活區(qū)左舷角落與主船體外板不連接，過(guò)渡處距離提升結(jié)構(gòu)艙室更遠(yuǎn)，不是危險(xiǎn)區(qū)域。除了主甲板上的艙口開(kāi)孔，其他所有節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度是足夠的。針對(duì)主甲板開(kāi)孔處的疲勞強(qiáng)度，采取了在開(kāi)孔周?chē)锹洳迦刖植考雍癜宓姆椒▉?lái)改善應(yīng)力分布和提高抗疲勞能力。進(jìn)一步的分析計(jì)算顯示，使用這些局部加厚插入板后，這些區(qū)域的疲勞強(qiáng)度是足夠的，包括相關(guān)的板厚過(guò)渡區(qū)域。

5 結(jié)語(yǔ)

緊鄰樁腿的提升艙室和下導(dǎo)向區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度得到驗(yàn)證，并結(jié)合預(yù)加負(fù)載循環(huán)周期、運(yùn)輸、抬起和起重機(jī)操作等工況檢查了結(jié)構(gòu)構(gòu)造的強(qiáng)度。分析發(fā)現(xiàn)，大部分的船體疲勞損傷主要是由預(yù)加負(fù)載期間應(yīng)力的變化引起的。假定預(yù)加負(fù)載在假定的14年抬起狀態(tài)生命周期內(nèi)的循環(huán)數(shù)量為每2天1次，對(duì)每個(gè)場(chǎng)所或地點(diǎn)，預(yù)加負(fù)載過(guò)對(duì)角線6 750 t和每個(gè)樁腿9 000 t?？紤]上述負(fù)載周期的組合，并在主甲板艙口開(kāi)孔周?chē)黾?0 mm厚的插入板，那么疲勞強(qiáng)度是足夠的，因此此類(lèi)型海上風(fēng)電安裝船的設(shè)計(jì)船體具有足夠的疲勞強(qiáng)度。