李連亮，劉仁昌，張利軍，王永剛，何佳琦，汪 勇

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116600）

自升式風(fēng)車(chē)安裝船樁靴強(qiáng)度評(píng)估

李連亮，劉仁昌，張利軍，王永剛，何佳琦，汪 勇

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116600）

簡(jiǎn)要介紹近海風(fēng)車(chē)安裝船的功能和特點(diǎn)。選取風(fēng)車(chē)安裝船自存、作業(yè)、預(yù)壓載等典型設(shè)計(jì)工況，結(jié)合裝載工況、入泥深度、樁腿基礎(chǔ)處的邊界條件等因素，參考挪威船級(jí)社規(guī)范的推薦方法，應(yīng)用SESAM軟件建立有限元模型對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

風(fēng)車(chē)安裝船；自存；作業(yè)；預(yù)壓載；樁靴；強(qiáng)度評(píng)估

0 引言

近海風(fēng)車(chē)安裝船是一種全新的海洋工程船舶，主要用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸、安裝和維護(hù)。它將常規(guī)船舶運(yùn)輸、自航與海洋平臺(tái)的自升、起重船起重等多船功能變?yōu)橐淮?dú)立完成。最新一代風(fēng)車(chē)安裝船配有先進(jìn)的動(dòng)力定位系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，操作靈活，自動(dòng)化程度高。

中遠(yuǎn)船務(wù)承接了工信部項(xiàng)目近海風(fēng)電設(shè)備安裝船的研制，該船采用自升式結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，配有起重能力為900t的大型吊機(jī)，選用圓筒形樁腿和插銷(xiāo)式液壓頂升、上下導(dǎo)向裝置相配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)主船體的提升和樁腿的收回等操作，樁靴與圓筒形樁腿互為一體，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，在樁腿底部一定高度、處設(shè)水密艙壁，使部分樁腿與樁靴形成水密艙，在移航過(guò)程中為主船體提供一部分浮力。

該風(fēng)車(chē)安裝船的設(shè)計(jì)工況包括自航工況、從漂浮狀態(tài)到站立狀態(tài)的安裝工況、風(fēng)車(chē)安裝作業(yè)工況、風(fēng)暴自存工況以及從站立狀態(tài)到漂浮狀態(tài)的回復(fù)工況等［1，2］。對(duì)于樁靴的強(qiáng)度評(píng)估，首先校核預(yù)壓載工況，此工況為預(yù)先施加垂直荷載，使得樁靴對(duì)地壓力預(yù)先達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)壓值，然后恢復(fù)正常載荷的過(guò)程［3］，屬于安裝工況必不可少的一部分。其次，要校核風(fēng)暴自存工況，這個(gè)工況是指極端環(huán)境條件下，風(fēng)車(chē)安裝船不能繼續(xù)作業(yè)，但可通過(guò)調(diào)整可變載荷或放棄部分載荷以及其他措施以達(dá)到較為安全的狀態(tài)。再次，校核作業(yè)工況，作業(yè)工況系指在規(guī)定的環(huán)境條件下，滿載并升到預(yù)定標(biāo)高進(jìn)行風(fēng)車(chē)安裝時(shí)的狀態(tài)。本文針對(duì)上面提到的這三個(gè)重要設(shè)計(jì)工況，應(yīng)用SESAM/GeinE軟件建立有限元模型對(duì)樁靴進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。

1 風(fēng)車(chē)安裝船主參數(shù)

總長(zhǎng)：133.1m；

型寬：39.2m；

型深：9.8m；

設(shè)計(jì)吃水：5.6m；

樁腿長(zhǎng)度：81.0m；

樁靴長(zhǎng)×寬×高：13.6m×8.1m×3.9m。

2 主要載荷和分析方法

2.1 主要載荷

樁靴的受力由樁腿傳遞，因此需要計(jì)算樁腿在最不利情況下的最大受力，載荷包括風(fēng)車(chē)安裝船的自身重力載荷和環(huán)境載荷。其中環(huán)境載荷主要包括波浪載荷、海流載荷、風(fēng)載荷、動(dòng)態(tài)放大對(duì)慣性載荷的放大效應(yīng)、P-Δ效應(yīng)等。如圖1所示。

圖1 主要載荷示意側(cè)視圖

2.2 分析方法

根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范［1］推薦方法，對(duì)于樁靴和下部樁腿的強(qiáng)度校核應(yīng)滿足下面三條要求：

1）海底可能存在的沖刷和不平整的海底條件導(dǎo)致樁靴底部受力不均勻，產(chǎn)生偏心彎矩。因此假設(shè)設(shè)計(jì)載荷平均分布在50%的底部面積上，以矩形樁靴為例，見(jiàn)圖2。

偏心彎矩可用下式得到：

式中：Med為設(shè)計(jì)偏心彎矩；Fvd考慮了功能和環(huán)境傾覆載荷的沿樁腿軸向的最大設(shè)計(jì)載荷；Rn為偏心力臂，即樁靴一半投影面積的重心到圖示 n-n軸的垂直距離；樁靴的投影面積A0可用下式得到：

圖2 矩形樁靴偏心載荷示意

2）假設(shè)樁腿基礎(chǔ)處的邊界條件為鉸支。樁靴及樁靴與樁腿連接處的強(qiáng)度校核應(yīng)組合樁靴底部最大垂向支反力和對(duì)應(yīng)的土壤對(duì)樁靴的水平作用力，同時(shí)考慮35%的下導(dǎo)向位置處樁腿橫截面的最大計(jì)算彎矩（主要考慮海水沖刷與海底不平整情況導(dǎo)致的樁靴與泥土之間可能存在的彎矩作用），施加在最不利的方向上。

3）假設(shè)樁腿基礎(chǔ)處的邊界條件為固支，需要考慮下面兩種情況：

（1）樁靴底部最大垂向支反力，連同對(duì)應(yīng)的土壤對(duì)樁靴的水平支反力和樁靴土壤相互作用的彎矩，組合后施加在最不利方向上；

（2）土壤對(duì)樁靴的最大彎矩作用，連同對(duì)應(yīng)的土壤對(duì)樁靴的垂直、水平支反力，組合后施加在最不利方向上。

2.3 計(jì)算工況

樁靴及樁靴與樁腿連接處的強(qiáng)度是基于挪威船級(jí)社工作應(yīng)力法來(lái)校核，本文評(píng)估了預(yù)壓載工況、自存工況和作業(yè)工況在不同裝工況下的強(qiáng)度，在表1中標(biāo)有“X”符號(hào)。

表1 設(shè)計(jì)和裝載工況

挪威船級(jí)社對(duì)于不同裝載工況的定義如表2所示。而風(fēng)車(chē)安裝船在不同的區(qū)域作業(yè)，海底地基土質(zhì)會(huì)顯著不同，樁靴入泥深度假定為兩種情況：深插深與淺插深。綜合設(shè)計(jì)工況、裝載工況、深淺插深、樁腿基礎(chǔ)處的邊界條件等因素，將計(jì)算工況細(xì)分如表3、表4和表5所示。

表2 挪威船級(jí)社對(duì)于不同裝載工況的定義

表3 預(yù)壓載工況

表4 自存工況

表5 作業(yè)工況

3 結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1 有限元模型

樁靴的有限元模型主要由殼單元和梁?jiǎn)卧M合而成，見(jiàn)圖 3。其中，樁腿結(jié)構(gòu)的外板、樁靴的外板、樁靴的錐點(diǎn)、水密平臺(tái)、徑向艙壁、所有肋板、T型材腹板和樁腿延伸樁靴內(nèi)部部分的大肘板主要采用四節(jié)點(diǎn)殼單元，加強(qiáng)筋和和T型材面板采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M，樁靴的整體網(wǎng)格單元尺寸為100mm×100mm，11m處水密平臺(tái)及其上下部分樁腿外板網(wǎng)格單元尺寸為100mm×100mm，樁腿其他部分的網(wǎng)格單元尺寸為200mm×200mm。

圖3 有限元模型及邊界條件

3.2 邊界條件

風(fēng)車(chē)安裝船在各個(gè)設(shè)計(jì)工況下，依靠樁腿樁靴入泥段在地基土中受到的約束力來(lái)支撐，不考慮樁靴穿刺和泥土倒流的影響，為了降低邊界效應(yīng)，取錐點(diǎn)以上16.5m處進(jìn)行固支約束，見(jiàn)圖3。

4 強(qiáng)度分析和評(píng)估結(jié)果

4.1 屈服強(qiáng)度

樁靴及樁靴與樁腿連接處的屈服強(qiáng)度評(píng)估基于工作應(yīng)力法，通過(guò)比較結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同裝載工況下計(jì)算的最大Von Mises應(yīng)力與材料的屈服極限與最大許用利用系數(shù)的乘積，即：

式中，σeqv為計(jì)算得到的Von Mises應(yīng)力；fy為材料的屈服極限；ηp為最大許用利用系數(shù)?？捎上率接?jì)算得到：

式中，η0為基本利用系數(shù)，見(jiàn)表6；β取決于結(jié)構(gòu)類型、失效模式和細(xì)長(zhǎng)比的系數(shù)，在屈服強(qiáng)度校核時(shí)β取1。

該船樁腿樁靴結(jié)構(gòu)采用了五種材料，不考慮應(yīng)力集中的情況下，許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7。

表6 基本利用系數(shù)

表7 材料級(jí)別和許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)（Mpa）

4.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)表4和表5中裝載工況a的計(jì)算工況分析結(jié)果進(jìn)行搜索后得到各個(gè)位置處最大的Von Mises應(yīng)力結(jié)果，請(qǐng)見(jiàn)圖4（a）。

圖4 裝載工況a和b的Von Mises應(yīng)力結(jié)果

從圖4（a）的結(jié)果可以看出Von Mises應(yīng)力都低于NV36材料的許用應(yīng)力，滿足規(guī)范的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，其他更高屈服強(qiáng)度的鋼材亦滿足要求。

搜索表4、表5和表6中所有裝載工況b的計(jì)算工況的分析結(jié)果，見(jiàn)圖4（b），結(jié)果圖4所示大部分結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。只有樁靴與樁腿連接處局部由于在偏心情況下受到較大的偏心彎矩，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，依據(jù)挪威船級(jí)社海工規(guī)范［4］，需要進(jìn)一步用局部詳細(xì)應(yīng)力法評(píng)估，首先按照表8選擇ηpeak。

表8 細(xì)網(wǎng)格分析許用峰值利用系數(shù)（ηpeak）

樁靴與樁腿連接處網(wǎng)格為100mm×100mm，所以ηpeak按照表8取1.48，得到相應(yīng)材料的許用峰值應(yīng)力，見(jiàn)表9。

表9 最大許用峰值應(yīng)力（Mpa）

結(jié)果如圖4和圖5所示，最大Von Mises應(yīng)力均小于許用峰值應(yīng)力，因此樁靴結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足的規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文基于挪威船級(jí)社規(guī)范工作應(yīng)力法的要求，結(jié)合典型設(shè)計(jì)工況下的裝載工況、入泥深度、樁腿基礎(chǔ)邊界條件等因素，分別確定了預(yù)壓載、風(fēng)暴自存、作業(yè)等設(shè)計(jì)條件下需要進(jìn)行校核的相關(guān)危險(xiǎn)工況，計(jì)算得到了各工況下的Von Mises應(yīng)力，完成了樁靴及樁靴與樁腿連接處的強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果滿足挪威船級(jí)社的要求，得到如下結(jié)論：

1）從分析結(jié)果來(lái)看，樁靴與樁腿連接處由于較大的偏心彎矩產(chǎn)生應(yīng)力集中，采用四周對(duì)稱性更好的樁靴設(shè)計(jì)能夠減小偏心彎矩的影響，降低連接處的應(yīng)力，需要在設(shè)計(jì)初期重點(diǎn)考慮；

2）對(duì)于長(zhǎng)方形樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，樁腿距離較近的方向是環(huán)境載荷引起的樁靴垂向受力最大的方向，考慮偏心影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)樁靴的短邊更適合與樁腿距離更近的方向保持一致。

［1］ DNV. OS-C201， Structural design of offshore units （WSD method）［S］. DNV， October 2014.

［2］ ABS. Mobile offshore drilling units， Part 3 Hull construction and equipment［S］. ABS， 2012.

［3］ 孫東昌， 潘斌. 海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海： 上海交通大學(xué)出版社， 2007.

［4］ DNV. OS-C102. Structural design of offshore ships［S］. DNV， October 2011.

Strength Assessment for Spud Can of Jack-up WTIV

Li Lian-liang， Liu Ren-chang， Zhang Li-jun， Wang Yong-gang， He Jia-qi， Wang Yong
（COSCO Shipyard Group Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116600 China）

The paper briefly introduces the function and feature of wind turbine installation vessel. The typical design conditions of survival， operation and preload are selected， combining with boundary conditions of loading condition，penetration depth and leg foundation. Referring to the recommended method of Det Norske Veritas rules， the SESAM software is used to establish the finite element model for the strength assessment of the spud can structure.

wind turbine installation vessel （WTIV）； survival； operation； preload； spud can； strength assessment

U674.38

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.011

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝2011536號(hào)）。

李連亮（1982—），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)。