李 強(qiáng)， 劉 陽， 張 朝， 張春雷， 周 蕊

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100011)

浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部強(qiáng)度分析

李 強(qiáng)， 劉 陽， 張 朝， 張春雷， 周 蕊

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100011)

對浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度運(yùn)用簡化船體梁法進(jìn)行計(jì)算分析，借助有限元軟件對該區(qū)域局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，描述建立這種復(fù)雜不規(guī)則模型時需要運(yùn)用的技巧, 建立浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元模型,闡述浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)有限元結(jié)構(gòu)分析方法,以及在加載過程中應(yīng)該注意的受力轉(zhuǎn)換，所得到的浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果滿足規(guī)范要求。

浮式風(fēng)機(jī)；系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)；船體梁；有限元；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

0 引 言

隨著全球?qū)δ茉吹木薮笮枨?，風(fēng)電行業(yè)作為新能源領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化程度最高的行業(yè)得到了高速發(fā)展，陸上風(fēng)電開發(fā)已逐漸趨于飽和，海上風(fēng)電則越來越受到重視，其中深海風(fēng)電代表著未來海上風(fēng)電發(fā)展的方向[1]。開發(fā)深海風(fēng)能資源，由于水深的限制，采用傳統(tǒng)的固定式基礎(chǔ)將導(dǎo)致成本激增，且服役期滿拆卸不便[2]，而浮式風(fēng)機(jī)具有開發(fā)不受水深限制，機(jī)動性好，方便維護(hù)等特點(diǎn)[3]。

近些年，計(jì)算機(jī)和我國海洋工程科學(xué)領(lǐng)域都得到了迅速發(fā)展，很多新型材料也不斷出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用，對于超出船級社規(guī)范計(jì)算公式范圍的平臺，有限元分析法就成為海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的重要計(jì)算工具[4]。為了對浮式風(fēng)機(jī)向外伸出的系泊區(qū)域這一特殊的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，本文參照美國船級社相關(guān)規(guī)范運(yùn)用傳統(tǒng)的船體梁理論和有限元分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

1 建立模型

本浮式風(fēng)機(jī)設(shè)定在南海海域作業(yè)，位置約東經(jīng)110°38’，北緯8°37’，其距甘蔗島20 km，距達(dá)州島17 km，平均水深約135 m。浮式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)包括：3個立柱、1個中立柱、3個浮箱、3個垂蕩阻尼板和頂部連接支撐結(jié)構(gòu)。浮式風(fēng)機(jī)的三維模型如圖1所示。

圖1 浮式風(fēng)機(jī)三維模型

浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要參數(shù)如表1所示。

表1 浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要參數(shù) m

2 簡化船體梁計(jì)算方法

根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和邊界條件，可以將其簡化為變截面的懸臂梁結(jié)構(gòu), 根據(jù)不同的工況將其簡化成不同的梁模型，并采用簡單梁的理論, 分析船體梁危險斷面處的各應(yīng)力[5]。浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)

2.1 系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)受力分析和邊界條件

錨鏈作用在系泊區(qū)域的集中力載荷根據(jù)不同的工況分別為P1，P2，P3，其大小分別為60 t，380 t，640 t。根據(jù)規(guī)范得出甲板的計(jì)算壓頭h0=6.1 m, 得出均布載荷Q1= 536 800 N/m。結(jié)構(gòu)自重也可近似為均布載荷，計(jì)算可得Q2= 1 234 640 N/m。

對于簡化成懸臂梁的系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)，一端可認(rèn)為是剛性固定，3種工況懸臂梁的受力和邊界條件如圖3～圖5所示。

圖3 靜態(tài)工況懸臂梁受力

圖4 操作工況懸臂梁受力

圖5 極限工況懸臂梁受力

2.2 懸臂梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

懸臂梁受力最大的位置在剛性固定端，所以, 首先計(jì)算固定端的剖面模數(shù), 然后用懸臂梁理論所求的力計(jì)算出該處的上甲板和外板下端的彎曲應(yīng)力值。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 懸臂梁應(yīng)力值

根據(jù)美國船級社船體梁相關(guān)規(guī)范，許用彎曲應(yīng)力值分別為：靜態(tài)和操作工況[σ]=244.8 N/mm2，極限工況[σ]=315.3 N/mm2。由計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。

3 有限元計(jì)算方法

將浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)簡化為一個懸臂梁，可以粗略地分析該結(jié)構(gòu)的整體受力和最危險的受力點(diǎn)，卻無法計(jì)算出橫向、扭轉(zhuǎn)和局部強(qiáng)度。所以，進(jìn)一步應(yīng)用有限元法來精確計(jì)算該區(qū)域的強(qiáng)度是十分有必要的。

3.1 強(qiáng)度校核方法和分析對象

浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部強(qiáng)度分析建立在結(jié)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)上，該分析方法包括美國船級社最新規(guī)范和浮動結(jié)構(gòu)最新受力分析技術(shù)，并在這種計(jì)算分析過程中使用最先進(jìn)的有限元計(jì)算軟件程序。結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中所施加的載荷、環(huán)境條件和所采用的安全系數(shù)，應(yīng)滿足美國船級社的相關(guān)要求。分析所用的強(qiáng)度理論與簡化船體梁計(jì)算方法所用的理論相同。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析對象為浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部結(jié)構(gòu)，包括與系泊結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分外板和甲板結(jié)構(gòu)以及為了保證強(qiáng)度的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)[6]。

3.2 有限元結(jié)構(gòu)分析模型

依據(jù)浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖紙及導(dǎo)纜器、止鏈器和下放滑輪的局部加強(qiáng)圖紙，創(chuàng)建各局部結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。導(dǎo)纜器區(qū)域：模型水平范圍包括矩形柱FR 20～FR 44，模型垂直范圍包括矩形柱EL. (+) 16 000～EL. (+) 25 000。止鏈器區(qū)域和下放滑輪區(qū)域：模型水平范圍包括從矩形柱FR 20～FR 44，模型垂直范圍包括矩形柱EL. (+) 25 000～矩形柱的頂部。3個區(qū)域的有限元結(jié)構(gòu)模型如圖6～圖8所示。

圖6 導(dǎo)纜器區(qū)域有限元模型

圖7 止鏈器區(qū)域有限元模型

圖8 下放滑輪區(qū)域有限元模型

在建立的有限元模型中采用板殼單元和梁單元。除此之外，還要對有限元模型進(jìn)行簡化，如距離系泊區(qū)域較遠(yuǎn)處的甲板或艙壁上的開口和小肘板等。這一簡化過程，既是出于其對結(jié)果影響極小的考慮，如忽略遠(yuǎn)離受力區(qū)域的開孔等，也是出于保守的考慮，如忽略較小的肘板等。系泊設(shè)備的相關(guān)構(gòu)件只建立模型，而不考慮其本身的受力情況，只是為了使加載載荷時與實(shí)際加載情況更加接近。

3.3 邊界條件

3個模型的邊界均約束3個方向的位移和3個方向的轉(zhuǎn)動，如圖9～圖11所示。

圖9 導(dǎo)纜器區(qū)域邊界條件

圖10 止鏈器區(qū)域邊界條件

圖11 下放滑輪區(qū)域邊界條件

3.4 載荷工況

根據(jù)浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)系泊分析報告以及浮式風(fēng)機(jī)不同環(huán)境條件下各種不同載荷的作用情況，計(jì)算工況可分為靜態(tài)、操作和極限工況[7]。

靜態(tài)工況：在環(huán)境條件為靜態(tài)條件時收放錨鏈的工況。此時錨鏈力的大小為60 t，錨鏈力主要作用在下放滑輪上，止鏈器和導(dǎo)纜器幾乎不受錨鏈的作用力。因此，在靜態(tài)工況條件下只分析下放滑輪區(qū)域的強(qiáng)度。

操作工況和極限工況：在環(huán)境條件為操作和極限條件時錨鏈固定在止鏈器上的工況。此時錨鏈力的大小分別為380 t和640 t，錨鏈力主要作用在止鏈器和導(dǎo)纜器上，下放滑輪幾乎不受錨鏈的作用力。因此，在操作和極限工況條件下只分析止鏈器和導(dǎo)纜器區(qū)域的強(qiáng)度。

不同的工況分別加載相應(yīng)的總體載荷與局部載荷，包括垂向彎矩、舷外水壓力與液艙液體壓力等內(nèi)部載荷和環(huán)境載荷[8]。

3.5 計(jì)算結(jié)果評估

利用有限元軟件，對已建立的浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)系泊區(qū)域各局部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜態(tài)、操作和極限工況下的分析計(jì)算，參照美國船級社規(guī)范[9-10]關(guān)于局部應(yīng)力校對準(zhǔn)則的相關(guān)章節(jié)，各個工況的應(yīng)力值滿足規(guī)范要求。

以上3種工況的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力詳細(xì)結(jié)果如表3所示，導(dǎo)纜器、止鏈器和下放滾輪區(qū)域結(jié)構(gòu)的各工況應(yīng)力云圖如圖12～圖16所示。從應(yīng)力云圖可知，在操作工況和極限工況下導(dǎo)纜器區(qū)域結(jié)構(gòu)的最大受力點(diǎn)都在與導(dǎo)纜器位置相對應(yīng)的浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)部強(qiáng)構(gòu)件與水密艙壁交界處；止鏈器區(qū)域在操作工況和極限工況下最大受力點(diǎn)都在止鏈器位置相對應(yīng)的浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)部強(qiáng)構(gòu)件上；下放滑輪區(qū)域在靜力工況下最大受力點(diǎn)在下放滑輪下的甲板上。簡化船體梁計(jì)算方法中懸臂梁最危險截面固定端處，并沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)力，這是由于甲板及其內(nèi)部的主結(jié)構(gòu)承擔(dān)了大部分的力，只有非常少的受力傳遞到邊界處。邊界處的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，所以，無需為了系泊的作用力把邊界處再做加強(qiáng)，只需加強(qiáng)各系泊設(shè)備周圍的結(jié)構(gòu)即可。

表3 各工況最大應(yīng)力值及其與許用應(yīng)力的比

圖12 導(dǎo)纜器區(qū)域操作工況von Mises應(yīng)力云圖

圖13 導(dǎo)纜器區(qū)域極限工況von Mises應(yīng)力云圖

圖14 止鏈器區(qū)域操作工況von Mises應(yīng)力云圖

圖15 止鏈器區(qū)域極限工況von Mises應(yīng)力云圖

圖16 下放滑輪區(qū)域靜態(tài)工況von Mises應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

本課題對浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)利用簡化船體梁計(jì)算方法和局部結(jié)構(gòu)三維有限元直接計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并參照美國船級社規(guī)范的相關(guān)章節(jié)分析系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對比和分析。由分析結(jié)果得出如下結(jié)論：浮式風(fēng)機(jī)系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的要求,從而滿足各工況下的安全使用。以上的強(qiáng)度分析過程和方法，包括載荷工況的選取和應(yīng)力的校核等，可以對同類型浮式平臺系泊區(qū)域局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析起到一定的參考作用。

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Local Strength Analysis of Moored Area of Floating Wind Turbine

LI Qiang， LIU Yang， ZHANG Zhao， ZHANG Chunlei， ZHOU Rui

(COTEC Offshore Engineering Services (Beijing), Beijing 100011, China)

The local structure strength of the mooring area of the floating wind turbine is calculated and analyzed by simplified hull girder method. The local structure of mooring area is analyzed with finite element method. Some useful techniques is described while building complex and irregular models. The local structure of mooring area finite element model is established and the finite element analysis is described. The force conversion should be paid attention to during loading. The analysis results of the local structure of the mooring area of the floating wind turbine meet the requirements of the code.

floating wind turbine; local structure of mooring area; hull girder; finite element; structural strength

李 強(qiáng)(1981-)，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程方面的研究

1000-3878(2017)04-0035-05

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