于雯,李曙生,袁宇波

(1.泰州職業(yè)技術學院，江蘇 泰州 225300；2.南通中遠船務有限公司 ，江蘇 南通 226000)

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新型深海風機運輸安裝一體化半潛式平臺整體強度分析和校核

于雯1,李曙生1,袁宇波2

(1.泰州職業(yè)技術學院，江蘇 泰州 225300；2.南通中遠船務有限公司 ，江蘇 南通 226000)

為了滿足海上風力開發(fā)的深?；I(yè)化、大型化的需求，解決因海上氣候惡劣，有效工作時間短而導致的工作效率低的問題，設計一種滿足風車整體運輸、安裝一體化的新型半潛式風車安裝平臺。根據風車整體運輸、安裝一體化的設計指標，提出新型半潛式風力發(fā)電安裝平臺船型方案設計，確定平臺的總布置、主尺度和結構形式；采用sesam軟件的設計波進行平臺整體強度分析，在滿足結構強度以及保證平臺性能的基礎上進行方案優(yōu)化，設計出滿足結構強度以及性能要求的最優(yōu)船型。

風車安裝；半潛式平臺；整體強度評估；運輸安裝一體化

風電機組的安裝是海上風電場建設的關鍵技術之一。現(xiàn)有的近海風力發(fā)電安裝作業(yè)船，都是針對近海風機安裝，不能滿足風機大型化、深?；陌l(fā)展趨勢[1-3]。深海風電安裝平臺要適合在海況惡劣的深海工作，具備自航、運輸、起重、避風等復合功能。為滿足以上要求，結合半潛式平臺優(yōu)良的耐波性能[4-5]，設計平臺采用半潛式結構，采用流線型浮筒減小航行阻力，動力方面采用噴水推進方式，更能適應全球未來海上風電大型化和深海化的發(fā)展趨勢。采用有限元方法對整船結構強度進行分析和研究[6-8]。在提出一種新型半潛式風力發(fā)電安裝平臺船型方案設計的基礎上，根據平臺的主尺度、總布置特點，采用DNV SESAM系列軟件根據其受力情況建立平臺有限元模型，根據計算仿真結果科學地設計船體結構，對高應力區(qū)域做適當加強，進而對船體結構進行優(yōu)化。

1 深海半潛式風電安裝平臺設計方法

通過對國內外風電市場的發(fā)展趨勢研究，設計針對深海漂浮式基礎風機、運輸安裝功能以及作業(yè)海域環(huán)境，設計船型方案，確定主尺度，采用DNV Sesam軟件進行三維建模和整體結構分析，得出設計方案。

對于船體整體強度計算一般采用設計波方法[9]，各個船級社對不同類型船體設計波的計算方法都有明確的規(guī)定。其中難點是如何計算得到主要載荷控制參數(shù)所對應的等效設計波形式下的水動力載荷，其具體思路如下[10-11]。

1)將依據規(guī)范計算得到的主要載荷控制參數(shù)的規(guī)范值作為設計極值。例如迎浪狀態(tài)下將垂向波浪彎矩作為設計極值。

2)通過基于勢流理論的三維波浪載荷程序計算控制參數(shù)的傳遞函數(shù)，確定等效設計波的頻率。

3)等效設計波的波幅等于1)中設計極值除以2)中傳遞函數(shù)最大值。

4)等效設計波的相位應取在使主要載荷控制參數(shù)在余弦波作用下達到最大時相位或位置。

確定設計波的相關參數(shù)，進而可以得到用于全船有限元模型加載的水動壓力。

2 深海半潛式平臺設計關鍵要素

2.1 結構形式特點

本船型采用半潛式平臺設計，底部浮筒艏艉兩端采用流線型設計，航行吃水位于浮筒處，有利于減小航行阻力，降低能耗，提高航速，縮短作業(yè)場至碼頭時間；浮筒與上甲板之間設有4個立柱，海上作業(yè)時，半潛平臺下潛至立柱吃水，減小水線面，提高平臺耐波性，有利于較為惡劣的海況作業(yè)。浮筒上方的桁架式結構是風機的運輸平臺，將運輸平臺設于浮筒上方，可降低風機運輸?shù)母叨燃爸匦?，提高平臺航行時的安全性，同時桁架式結構能減小惡劣海況下的抨擊載荷；立柱上方設有上甲板結構，上甲板艉部和中間設有大槽口，避免上甲板與裝載風機機組之間的干涉。相比普通的半潛平臺由于尾部中間的大槽口的存在，可減小平臺的橫向和抗扭強度，損失的強度全部由桁架式結構來補強，因此桁架式結構的整體強度以及桁架式結構和平臺的連接部位的強度對于平臺的整體安全尤為重要?？偛贾脠D見圖1。

圖1 總布置圖

風機的運輸?shù)跹b方案由碼頭裝載航行、定位下潛、吊機整體安裝但部分組成。平臺主要作業(yè)流程為：在碼頭轉載風機設備整機，運送風電設備至海上風電場塔基處，下潛至操作吃水，運用平臺全回轉式起重機整體吊運風電設備，進行安裝。

2.2 初步主尺度設計

通過研究任務設計指標，對總體布置要求、甲板裝載、性能驗證和方案的選擇分析，得出初步主尺度數(shù)據如下：浮筒長104.5 m、寬13.65 m、高12 m，立柱長13 m、寬13.65 m、高19.5 m，上甲板長度83.5 m、寬65.0 m、高82.0 m、航行吃水10.5 m，自存吃水15.5 m，工作吃水17.5～20.0 m；可變甲板載荷3 000 t；最大排水量36 777 t。

3 平臺有限元模型

按該船的型線、板厚、各構件設計尺寸采用DNV SESAM GENIE軟件建立全船三維有限元計算模型。模型中主要采用2種單元。

板殼(shell)單元。用來模擬平臺中的甲板、船底板、舷側外板、縱橫艙壁等板殼結構和船底龍骨、實肋板、甲板縱桁、強橫梁、強肋骨等腹板高度比較大的強構件。

梁(beam)單元。用來模擬桁架式結構，腹板高度小于300 mm的縱骨、橫艙壁加強筋、支柱等桿件結構，縱桁、實肋板、強橫梁、強肋骨、強扶強材等強構件的面板和肘板的折邊等。

吊機基座重量采用質量點來模擬，吊臂采用簡化梁模型來模擬，錨機、主機基座等大型設備，采用Genie軟件的設備來模擬。

4 整體結構強度分析

取波浪周期范圍3～30s,步長取1 s，共選取28個頻率，計算傳遞函數(shù)。載荷控制參數(shù)的選取參考參照ABS MODU RULE[12]，一共選取了7個載荷控制參數(shù)，縱向彎矩，包括縱向切力，縱向轉矩，橫向分離力，甲板包3個方向加速度。

選取自航、自存、作業(yè)3種工況，總重量包括空船重量、貨物重量以及艙室重量，具體工況參數(shù)見表1。

表1 各個工況參數(shù)

4.2 計算結果分析

根據ABS MODU規(guī)范，對于合成工況，取1.1的安全系數(shù)，對于屈服強度355 MPa的高強鋼，許用應力為319 MPa。采用設計波法分析3個工況下平臺應力分布。根據計算結果得知平臺應力分布比較均勻，平臺整體屈服強度基本符合規(guī)范要求；但在局部桁架與立柱、浮筒連接處應力超過許用應力。這是由于在進行整體有限元分析時，采用較大的網格進行整體有限元建模，在局部尤其是連接復雜結構區(qū)域網格形狀很難規(guī)整，形狀差的網格質量會導致偏大的應力計算結果；而且在這些連接區(qū)域，肘板在整體模型中沒有建模，桁架式結構采用梁模型來建模，在梁節(jié)點和板單元連接的地方不可避免會出現(xiàn)應力集中，因此應對這些局部結構進行加強并作進一步分析，列舉自存工況整體應力分布見圖2，各工況最大應力結果見表2。

圖2 最大合成應力_自存工況

表2 最大合成應力

4.3 結構加強措施和效果

對于整體有限元中應力較大的部分進行局部有限元分析，細化網格，對局部結構進行詳細建模，采用增加肘板，增加板厚，加大加強筋尺寸來減小應力，使應力分布更均勻，滿足規(guī)范要求。

分析桁架式結構和浮筒以及立柱的連接處應力比較大的原因主要是由于桁架式甲板既要承受風機的載荷，又要起到連接浮筒、立柱的作用，是平臺整體強度的承力結構。最危險的工況發(fā)生在斜浪工況，此時平臺會受到比較大的波浪扭轉彎矩。

在局部分析中，為了便于反映局部區(qū)域實際應力分布，采用板單元建立管結構模型，增加肘板結構來減小局部應力集中；同時為了使結構應力能更好地傳遞到艙壁上，桁架管件插入立柱艙壁一定深度；對于軸向力和彎矩比較大的橫撐，橫撐插入甲板和艙壁相連，使得橫撐的應力能夠有效傳遞到船體的甲板和艙壁上，和橫撐連接的甲板和艙壁板采用加大板厚方式，減小局部應力集中。

立柱連接區(qū)域結構見圖3，浮筒連接處結構見圖4。

圖3 立柱連接區(qū)域結構板厚

圖4 浮筒連接區(qū)域結構板厚

結構加強后，自航、作業(yè)、自存工況的桁架式結構和船體的連接處局部應力最大應力見表3，其中自存工況的肘板的邊緣和趾端某些單元的應力超過許用應力，考慮到不超過許用應力的10%，結構周圍其他單元應力沒有超過許用，應力可以重新分布，因此各個工況下的局部應力均能滿足規(guī)范要求。這些關鍵節(jié)點的焊接屬于特殊區(qū)域，疲勞敏感區(qū)域的焊接必須采用全熔焊，檢測等級采用I類等級。

表3 加強后局部最大合成應力

5 結論

1)設計的新型半潛式平臺從船型、主尺度和總布置設計方面能適合深海大型化漂浮式基礎的海上風機運輸安裝任務，相比較的自升式樁腿固定型風電安裝船、自航自升風車安裝船等海上風電安裝設備，更能適應全球未來海上風電大型化和深?；陌l(fā)展趨勢，實現(xiàn)風電機組運輸安裝一體化作業(yè)。

2)新型深海風機運輸安裝一體化半潛式平臺整體強度分析中，不同工況下總體應力分布比較均勻，局部高應力區(qū)出現(xiàn)在桁架式甲板和浮筒立柱連接處，通過采用厚板、肘板過渡、連接過渡等方式進行局部加強，通過局部應力校核驗證了加強后應力滿足規(guī)范要求，應力分布合理。

3)半潛式風車安裝平臺總體布置方案初步滿足設計思想，整體強度滿足各項性能指標和要求，可為方案下一步論證提供基礎。后續(xù)工作應考慮針對全球海況的特點設計平臺，進行關鍵節(jié)點疲勞分析，穩(wěn)性及管節(jié)點規(guī)范校核等工作，從而使平臺的總體方案具有更廣泛的適用性。

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Analysis of Whole Strength of a New Type of Deep Water Semi-submersible Platform for Transport and Installation of Windmills

YU Wen1, LI Shu-sheng1, YUAN Yu-bo2

(1.Taizhou Polytechnic College, Taizhou Jiangsu 225300, China;2.COSCO Shipping Co., Ltd., Nantong Jiangsu 226000, China)

In order to meet the needs of the development of specialization, large-scaled of wind power in the deep sea, and solve the problem of the working efficiency due to the short working time and the harsh marine environment, a new type of semi-submersible windmill installation platform was designed for integrated transport and installation of the windmill. The general layout, main dimensions and structural characteristics of the platform were determined. The design wave method was used to analyze the overall strength of the platform. Under the premise of satisfying the structural strength and ensuring the performance of the platform, the optimization of the scheme was put forward to design the optimal ship type.

windmill installation; semi-submersible platform; strength evaluation; transportation and installation integration

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.037

2016-12-08

江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201612106008Y)

于雯(1987—)，女，碩士，講師

研究方向：船舶與海洋結構的力學性能、海洋結構的動力性能、減振方法的研究與教學工作

U656.6

A

1671-7953(2017)04-0161-04

修回日期：2017-01-09