閆方超，郭 婷，關(guān) 婕

(1.上海佳豪船海工程研究設(shè)計(jì)有限公司，上海 201600；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116000)

0 引言

風(fēng)電安裝船作為一種新型的海上工作船，有效地緩解了海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸和安裝困難的問題。隨著多國將“綠色能源轉(zhuǎn)型”設(shè)定為未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，在建及待建的海上風(fēng)電項(xiàng)目數(shù)量驟然增加，讓海上風(fēng)電施工船市場一時(shí)措手不及。受其影響，具有風(fēng)電安裝能力的工程船“一船難求”。為了滿足風(fēng)電市場需求，包括風(fēng)電安裝、運(yùn)維等，可以通過改造半潛駁的方式建造風(fēng)電安裝工程船，不但可以使船舶增加新的功能，提高船舶綜合利用率，同時(shí)大大減少建造周期和建造成本，使得經(jīng)濟(jì)效益最大化。

廣義上來講，具有坐底功能的船舶規(guī)范存在于海洋工程平臺(tái)，所以目前國內(nèi)船級(jí)社對(duì)于船舶坐底計(jì)算沒有完整的相關(guān)規(guī)范衡準(zhǔn)。為了滿足當(dāng)前規(guī)范要求的情況下使該船具有坐底作業(yè)功能，則需得到“★CSA Submersible Offshore wind Turbine”的船級(jí)符號(hào)，從而需要參照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2020)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)坐底強(qiáng)度作直接計(jì)算及評(píng)估。

本文利用MSC-Patran/Nastran軟件對(duì)“鐵建潛01”坐底式風(fēng)電安裝改裝船建立有限元模型并進(jìn)行坐底強(qiáng)度計(jì)算分析，以滿足目前規(guī)范要求。

1 結(jié)構(gòu)改造

1.1 改造內(nèi)容

本項(xiàng)目改造船為一艘非自航半潛甲板駁。為適應(yīng)海上風(fēng)電施工現(xiàn)場的風(fēng)機(jī)安裝需要，擬在本船上新增2臺(tái)起重機(jī)和1個(gè)工作平臺(tái)，并對(duì)原船進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?。改造后，本船能滿足近海航區(qū)風(fēng)機(jī)起吊安裝作業(yè)要求，且仍具有半潛作業(yè)的功能。為滿足改裝船的功能，船體結(jié)構(gòu)的主要改造內(nèi)容如下：

(1)本次改建船主尺度維持不變，船型改為半潛駁船兼起重船船型，屬于船舶重大改建。

(2)在船首部靠左舷舉升甲板以上增設(shè)起重能力為6 000 kN的海工吊。該起重機(jī)作為本船起吊安裝風(fēng)機(jī)的主起重機(jī)。

(3)在船尾右舷尾塔樓頂甲板以上增設(shè)起重能力為8 00 kN的海工吊，該起重機(jī)將作為本船安裝風(fēng)機(jī)的輔助起重機(jī)。

為滿足坐底工況的作業(yè)條件，對(duì)改裝后的船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行坐底強(qiáng)度計(jì)算校核，從而滿足中國船級(jí)社(CCS)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2020)的相關(guān)規(guī)范要求。

1.2 坐底作業(yè)工況

(1)干坐底工況。作業(yè)區(qū)域若有顯著的漲退潮現(xiàn)象，在退潮期間，自然水深可下降至0時(shí)，導(dǎo)致船舶處于無水坐灘狀態(tài)，稱為干坐底工況。

(2)吃水坐底工況。由于海區(qū)的海底地質(zhì)條件，泥面淺層為粉砂成分，極易在水流作用下產(chǎn)生物理遷移，進(jìn)而導(dǎo)致海底與船底的接觸條件發(fā)生改變。具體而言，當(dāng)水流因船舶的存在產(chǎn)生繞射時(shí)，將帶起海底泥沙的流動(dòng)，產(chǎn)生船舶周界的掏空現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)減小了海底對(duì)船舶的支撐面積，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)變化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致船舶構(gòu)件開裂破壞甚至船體梁斷裂，這種工況稱為吃水坐底工況。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要是由退潮水及沖刷現(xiàn)象對(duì)船體作業(yè)安全及結(jié)構(gòu)安全造成的危險(xiǎn)影響。

本文對(duì)本船坐底作業(yè)強(qiáng)度計(jì)算的假定如下：

(1)作業(yè)區(qū)域海底平整，無堅(jiān)硬的突出物，如巖石等，假設(shè)海船為硬地不可壓。

(2)坐底時(shí)，海水沖刷導(dǎo)致海床接觸面靠近船舷位置有掏空現(xiàn)象，水流導(dǎo)致船底附近泥沙掏空區(qū)域的面積不超過20%。

(3)海底極限掏空區(qū)域與非掏空區(qū)域的交界線為直線。

(4)海床平面平整，坐底作業(yè)時(shí)船舶不發(fā)生滑移及海床不發(fā)生下沉，船體在海床坐底不入；船體無原始縱、橫傾，平坐在海底。

2 有限元計(jì)算

2.1 有限元模型

本文采用MSC-Patran/Nastran有限元軟件進(jìn)行建模分析。三維有限元模型包括了船體各主要構(gòu)件，如：甲板結(jié)構(gòu)、艙壁結(jié)構(gòu)及縱向、橫向和垂向的桁材結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型的甲板板、艙壁板、桁材腹板等均模擬為4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)板單元；普通橫梁、縱骨、桁材面板及撐桿等均模擬為2節(jié)點(diǎn)梁單元。整船計(jì)算分析模型見圖1。本船為風(fēng)電安裝而進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改造部分見圖2。

圖1 有限元計(jì)算模型

圖2 新增工裝平臺(tái)(改裝部分)

2.2 環(huán)境載荷

在船舶坐底計(jì)算中，要充分考慮船舶自身及環(huán)境載荷對(duì)船體坐底作業(yè)帶來的可能影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主要考慮作業(yè)工況裝載載荷、起重機(jī)載荷等主要環(huán)境載荷。

不同的裝載工況決定了不同的壓載水布置，從而影響對(duì)應(yīng)作業(yè)工況下全船的質(zhì)量分布。根據(jù)裝載狀態(tài)，本船坐底工況主要為坐底起重工況，又分為干坐底工況和吃水坐底工況。本文選取典型的起重工況進(jìn)行校核，即對(duì)干坐底起重工況、12 m吃水坐底起重工況和18 m坐底起重工況進(jìn)行主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算。

在本船尾部左舷平臺(tái)甲板布置1臺(tái)固定尾吊6 000 kN全回轉(zhuǎn)重型起重機(jī)，其示意圖見圖3。根據(jù)技術(shù)方案要求，本船改造方案主起重機(jī)坐底按照3 500 kN設(shè)計(jì)。根據(jù)起重機(jī)廠家提供的技術(shù)資料，在舉升甲板以上2 m位置的表面負(fù)載為：軸向力=17 520 kN，傾覆力矩=224 308 kN·m，回轉(zhuǎn)力矩=15 585 kN·m，徑向力=838 kN。

圖3 起重機(jī)示意圖(單位：mm)

自重載荷包括本船自重、不同計(jì)算工況下油水等裝載重量及相關(guān)設(shè)備重量。12 m吃水坐底工況下船體承受對(duì)應(yīng)水深的靜水壓力載荷云圖見圖4。

圖4 12 m靜水壓力云圖(單位：MPa)

除去主起重機(jī)、輔起重機(jī)、甲板機(jī)械設(shè)備等重量外，本次計(jì)算需要同時(shí)考慮在作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)平臺(tái)上的質(zhì)量。風(fēng)機(jī)平臺(tái)主要用于存放風(fēng)機(jī)葉片、輪轂、塔筒、機(jī)艙部件，這些部件通過質(zhì)量點(diǎn)模擬施加。

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2020)的相關(guān)要求，受到水流沖刷的影響，坐底面積按最不利的情況損失率為20%來計(jì)算，包絡(luò)艏部及艉部。在本船坐底強(qiáng)度分析中共計(jì)算16種船底掏空工況。圖5為艏部區(qū)域掏空的5種計(jì)算工況示意圖。

根據(jù)船底掏空方式，有限元各計(jì)算工況邊界條件設(shè)置在船底非掏空的坐底區(qū)域。

圖5 艏部區(qū)域掏空計(jì)算工況示意圖

為更加真實(shí)模擬海底接觸情況，在坐底接觸面的海床邊界采用垂向線彈簧進(jìn)行模擬。彈簧剛度值按照以下方法計(jì)算：

=

式中：為第幾基床系數(shù)，kN/m；為線彈簧模型單位承載面積，m；為安全系數(shù)，取1.1～1.2。

在約束區(qū)域彈簧上端采用約束節(jié)點(diǎn)、方向線位移，下端采用約束節(jié)點(diǎn)方向線位移。

另外，考慮到坐底工況一般均為超壓工況，超壓重量位于船體首位塔樓，且對(duì)于船中區(qū)域坐底工況的假定條件之一是海船為硬地不可壓。為更加接近實(shí)際情況模擬，需提高船中區(qū)域的約束彈簧剛度。

2.3 計(jì)算工況

本船坐底強(qiáng)度分析主要包括3種坐底工況：干坐底起重工況、10 m吃水坐底起重工況、坐底自存工況。每種坐底工況分別涵蓋了8種起重機(jī)吊臂角度位置16種船底掏空情況，總共組合出387個(gè)有限元計(jì)算校核工況(384個(gè)掏空情況下子工況，3個(gè)非掏空情況下的子工況)。

2.4 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

參考《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2020)的相關(guān)規(guī)定，板單元許用應(yīng)力[]為

[]=/

式中：為板單元應(yīng)力，MPa；為安全系數(shù)，對(duì)于板單元，=1.43。

基于上述的載荷加載及約束條件對(duì)全船進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，并在滿足上述衡準(zhǔn)的要求下對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。本船原船為普通鋼(MS)，許用應(yīng)力[]=170 MPa；本船新增改造區(qū)域均使用高強(qiáng)度鋼(AH36)，許用應(yīng)力為[]=248 MPa。

3 計(jì)算結(jié)果分析

各個(gè)工況計(jì)算后所有工況的板單元應(yīng)力的包絡(luò)應(yīng)力值云圖見圖6。

圖6 板單元合成應(yīng)力分布(單位：MPa)

由于計(jì)算工況過多，在后處理時(shí)對(duì)每個(gè)計(jì)算工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了包絡(luò)處理，取各個(gè)計(jì)算工況最大值進(jìn)行顯示，見表1。

表1 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位：MPa

根據(jù)以上坐底作業(yè)工況有限元強(qiáng)度計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

(1)計(jì)算結(jié)果顯示：本船3種坐底工況中，干坐底起重工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平相對(duì)較高；對(duì)于原船普通鋼，最大單元合成應(yīng)力的典型工況為起重機(jī)45°起吊、艏部45°掏空的計(jì)算工況，見圖7；對(duì)于高強(qiáng)度鋼(AH36)，最大應(yīng)力工況則出現(xiàn)在起重機(jī)35°起吊、船底左舷60°掏空的計(jì)算工況下，見圖8；其他吃水坐底工況應(yīng)力水平接近。對(duì)于起重機(jī)舷側(cè)的掏空工況需要重點(diǎn)關(guān)注，屬于高應(yīng)力計(jì)算工況。

圖7 干坐底起重普通鋼危險(xiǎn)工況的應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8 干坐底起重高強(qiáng)度鋼危險(xiǎn)工況的應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(2)坐底作業(yè)工況計(jì)算中，需要重點(diǎn)考慮船體橫縱艙壁、縱行、船底板等區(qū)域的應(yīng)力水平，尤其是掏空約束附近。

(3)對(duì)于坐底掏空區(qū)域約束附近區(qū)域的加強(qiáng)，需要考慮掏空面積多角度的變化帶來的加強(qiáng)區(qū)域的變化，加強(qiáng)區(qū)域要覆蓋整個(gè)約束附近區(qū)域。本次計(jì)算因坐底作業(yè)對(duì)原船進(jìn)行的改造加強(qiáng)區(qū)域示意圖見圖9。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)本船坐底起重工況進(jìn)行有限元建模計(jì)算，本船坐底作業(yè)在本文設(shè)定的載荷工況及掏空情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2020)要求。

(2)為保證船舶的作業(yè)安全，在實(shí)際坐底過程中，首先要確定海底實(shí)際情況，盡量避免海底本身的凹坑等危險(xiǎn)海底地形。

圖9 高強(qiáng)度鋼(AH36)的應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(3)在船舶坐底作業(yè)時(shí)，操作人員必須密切關(guān)注作業(yè)時(shí)船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化或者變形情況，尤其船底出現(xiàn)掏空海底地形時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注安裝起重機(jī)的船體區(qū)域。

(4)必要時(shí)應(yīng)采取措施防止船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過許用值，包括安裝應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)以監(jiān)控船體變形等。必要時(shí)停止作業(yè)，更換作業(yè)海域等。