李 軍

（山海關(guān)造船重工有限責(zé)任公司，河北秦皇島 066206）

0 引言

潮流發(fā)電是一種新型的潮汐能利用技術(shù)[1]，潮流發(fā)電具有不占用土地、不受氣候影響、不污染環(huán)境、建設(shè)周期短、經(jīng)濟(jì)性好、潛能巨大等特點(diǎn)，在我國具有廣闊的發(fā)展前景。漂浮式潮流發(fā)電站是潮流電站的一種[2]，這種電站采用載體搭載水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組漂浮在海面上，載體是漂浮式發(fā)電站的關(guān)鍵組成，載體漂浮在水面上時(shí)要承受多種載荷的作用，這些載荷對(duì)于載體的安全性，乃至潮流電站的安全發(fā)電均提出了挑戰(zhàn)，在此情況下迫切需要針對(duì)漂浮式潮流電站載體進(jìn)行全船的強(qiáng)度校核[3-4]。

漂浮式潮流電站的載體作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，沒有現(xiàn)成的規(guī)范可以借鑒，因此本文將潮流電站載體作為一種船體結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件ANSYS，建立潮流電站載體有限元模型，參考船舶行業(yè)相關(guān)規(guī)范[5-6]，采用直接計(jì)算的方法選取典型工況進(jìn)行潮流電站載體整體有限元分析，得出的結(jié)論旨在為潮流電站方案設(shè)計(jì)的可行性提供必要的技術(shù)支持。

圖1 潮流電站基本結(jié)構(gòu)圖

1 有限元模型

1.1 坐標(biāo)系設(shè)置

潮流電站結(jié)構(gòu)圖見圖1，模型總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)O取在尾垂線處，x軸向船艏為正，y軸向左舷為正，z軸垂直向上為正。

1.2 建模原則

按照本船的型線，各構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸、板厚、截面、開孔等，建立結(jié)構(gòu)的有限元模型[6]。計(jì)算模型單元分類為：1）板（shell）單元：甲板、外殼板、底板、橫艙壁、縱艙壁等構(gòu)件中的板殼結(jié)構(gòu)、連接肘板等；2）梁（beam）單元：尺寸較大且連續(xù)的縱骨、加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材等。有限元模型的網(wǎng)格縱向以肋骨間距為基準(zhǔn)，橫向以縱骨間距為基準(zhǔn)，艙壁最底部單元一般情況下盡量劃分為正方形單元，四邊形單元邊長比不超過1:3。

按上述建模原則，參照相關(guān)圖紙建立有限元模型如圖2所示。

1.3 材料屬性

船體所用材料為普通船用鋼材，其材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

2 載體所受載荷分析

計(jì)算時(shí)，以不同浪向角方式，共選取浪向角為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七個(gè)工況。本模型施加的載荷主要包括水輪機(jī)上所產(chǎn)生的載荷和由靜水壓力和波浪動(dòng)壓力構(gòu)成的舷外水壓力[8-9]。其中，水輪機(jī)上所產(chǎn)生的載荷取為極限流速2.03m/s情況下的額定100KW功率輸出時(shí)、低速轉(zhuǎn)動(dòng)（扭矩最大）和飛逸（流向載荷最大）條件下所產(chǎn)生的載荷。波浪動(dòng)壓力采用三維線性勢(shì)流理論，由HYDROSTAR軟件計(jì)算完成，具體為取浪向角為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°等七個(gè)工況，分別計(jì)算出各工況在設(shè)計(jì)波下的波浪載荷。波浪載荷施加示意圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 有限元模型載荷加載圖

3 屈服強(qiáng)度校核

屈服強(qiáng)度校核主要分析潮流電站載體平臺(tái)在極限環(huán)境條件與極限作業(yè)條件下受最不利組合載荷作用下結(jié)構(gòu)抵抗塑性破壞的能力[10]。即強(qiáng)度條件為：

式中：σ工作為結(jié)構(gòu)在外載作用下的工作應(yīng)力；[σ]為材料許用應(yīng)力；Fy為結(jié)構(gòu)材料的危險(xiǎn)應(yīng)力，取材料的屈服極限；F.S.為安全系數(shù)，根據(jù)載荷工況和變形特征（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）參照規(guī)范選取。漂浮式潮流電站載體采用低碳鋼（Mild）建造，其材料換算系數(shù)K分別為1.0。根據(jù)相關(guān)規(guī)定[5]，許用應(yīng)力如表2所示。

其中，相當(dāng)應(yīng)力由下式確定：

式中：σx、σy分別為沿X方向和沿Y方向的面內(nèi)應(yīng)力；τxy為面內(nèi)剪應(yīng)力。

表2 板許用應(yīng)力（MPa）

表3 設(shè)計(jì)板厚情況下全船模型屈服強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

圖4 各工況下應(yīng)力云圖

表3給出了各個(gè)工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力以及與許用應(yīng)力相比結(jié)果，各工況應(yīng)力云圖如圖3所示。

從表3的計(jì)算結(jié)果和圖4所示的應(yīng)力云紋圖中可以看出，各浪向角下，應(yīng)力較大部位主要集中于甲板、底板和舷側(cè)外板，但都沒有出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象和超出許用應(yīng)力的情況。載體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4 屈曲強(qiáng)度校核

屈曲強(qiáng)度是分析潮流電站載體平臺(tái)在極限環(huán)境條件與極限作業(yè)條件下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是保證潮流電站載體平臺(tái)安全性的重要方面[11]。本文根據(jù)規(guī)范要求，分別計(jì)算了0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°這幾種載荷工況下，甲板和底板板格的屈曲強(qiáng)度，板格選擇這幾種工況下分別對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)部位。

4.1 模型建立

規(guī)范中規(guī)定[5]，若總縱彎曲強(qiáng)度采用板梁組合模型的有限元法進(jìn)行直接計(jì)算，則強(qiáng)力甲板和船底板應(yīng)計(jì)算在雙向軸向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下的屈曲強(qiáng)度。且一般情況下應(yīng)采用板的中面應(yīng)力，進(jìn)行板的屈曲強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)強(qiáng)力甲板和船底板的屈曲強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算板厚為實(shí)際板厚縮減后的板厚。屈曲計(jì)算根據(jù)不同載荷工況的計(jì)算結(jié)果，在沿船長（強(qiáng)力甲板或船底板）方向最大中面應(yīng)力區(qū)域處，選取兩縱骨與兩強(qiáng)橫梁、兩橫梁與兩縱桁、兩實(shí)肋板與兩縱骨、底肋骨與縱桁中的一種所圍成的板格進(jìn)行。對(duì)選定的計(jì)算板格的應(yīng)先減縮板厚，然后重新劃分網(wǎng)格，格各邊應(yīng)大于等于8個(gè)網(wǎng)格，盡量采用正方形網(wǎng)格。

4.2 載荷施加及邊界條件

在有限元計(jì)算模型中，取出船長方向最大中面壓應(yīng)力區(qū)域處計(jì)算板格的中面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果σx、σy、τxy，將其乘以板格未縮減前的板厚得到各板邊的計(jì)算載荷，然后在相應(yīng)的邊界上分別進(jìn)行計(jì)算載荷的施加。

邊界條件：選取板格四個(gè)邊界的中點(diǎn)。在縱向邊界中點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處施加縱向線位移約束，即ux=0。在橫向邊界中點(diǎn)節(jié)點(diǎn)處施加橫向線位移約束，即uy=0。在四個(gè)邊界的全部節(jié)點(diǎn)上施加垂向線位移約束，即uz=0。加載邊界后的板格模型如圖5所示：

圖5 加邊界條件的板格模型

4.3 板格屈曲強(qiáng)度分析要求

有限元屈曲計(jì)算所得的臨界屈曲因子λ應(yīng)滿足：

式中，K為板格周界約束修正系數(shù)，且對(duì)于橫骨架式板格，當(dāng)板邊是普通骨材時(shí)，K=1.0；當(dāng)板邊是組合肋板或單底實(shí)肋板時(shí)，K=1.15；當(dāng)板邊是雙層底實(shí)肋板時(shí)，K=1.20；對(duì)于縱骨架式板格取K=1.0。

本文中，因模型甲板和底板均屬于縱骨架式板格，故取K=1.0。

4.4 分析結(jié)果

根據(jù)前面的計(jì)算方法對(duì)于漂浮式潮流電站載體的甲板和底板板格進(jìn)行屈曲強(qiáng)度分析，結(jié)果如下表4所示。

表4 屈曲因子λ計(jì)算結(jié)果

從表 4的計(jì)算結(jié)果可以看到各個(gè)角度下甲板和底板均滿足Kλ≥ 1 .0的要求，故載體結(jié)構(gòu)滿足屈曲強(qiáng)度的要求。

5 結(jié)束語

本文參照相關(guān)規(guī)范，采用直接計(jì)算法對(duì)潮流電站載體結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。給出了各個(gè)分析工況下的結(jié)構(gòu)最大工作應(yīng)力值及部位和屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果。同時(shí)由分析結(jié)果可知，潮流電站載體結(jié)構(gòu)滿足《規(guī)范》的要求。文中所得結(jié)論可為潮流電站載體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]戴軍, 單忠德, 王西峰等.潮流發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].能源技術(shù), 2012, 31(2): 37-41.

[2]王志超.漂浮式潮流電站總體方案設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工程大學(xué), 2011.

[3]Wang Shujie, Yin Kejin, Yuan Peng.Design and stability analyses of floating tidal current power generation test platform[C].APPEEC, 2010.

[4]Jing Fengmei, Zhang Liang, Jiang Jin, Xiao Chuanfang.Optimal selection of floating platform for tidal current power station[C].ICCSIT, 2011, 8.

[5]中國船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京:人民交通出版社, 2009.

[6]中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社, 2009.