半潜驳改装海上风机吊装船结构强度评估

徐永超，夏利娟

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

半潜驳改装海上风机吊装船结构强度评估

徐永超，夏利娟

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

海上风机吊装船是具备运输、起重功能的用于海上风电设备安装的海洋工程船。本文将1艘半潜驳船改装成海上风机吊装船，利用有限元软件对该船在拖航、坐底及吊装等典型作业工况下的结构强度进行计算分析，得到船体结构的应力分布及变形情况。计算评估方法和结果可为半潜驳改装海上风机吊装船的结构强度评估、改装方案可行性论证提供依据，也对类似船舶的改装设计开发具有参考价值。

海上风机吊装船;结构强度;有限元

0 引言

风电机组的安装是一项复杂的系统工程［1］，也是海上风电场建造的关键技术之一。要在海洋复杂环境下，安全、高效、经济地进行风机安装，则需要1个专用的海上作业平台。海上风机吊装船是海上风机安装的主要工具，近年来已得到广泛应用［2～5］。

我国近海海域辽阔，风能资源丰富，海上风力发电场是未来发展的重点。为运输和吊装更大功率的海上风机组，需要有更大运载能力的运载工具，也对海上风机的运输和安装平台提出更高的要求。国内在此方面有过成功的工程实践。在上海东海大桥百兆瓦海上风电示范项目中，中交三航院将1艘驳船改装成海上风机运输安装船，成功运用于3 MW风力发电机组的运输和安装工作。本文在东海大桥半潜驳改造项目的基础上，选用1艘半潜驳船改装成为海上风机吊装船，以运载更大功率的海上风机组。由于目前尚无专门的规范指导该类型改造船舶的设计，因此本文对此改装船进行结构强度评估进行计算和研究，为改装方案的可行性论证提供依据。

1 半潜驳船船型特点及改装后的结构形式

1.1 船型特点

该半潜驳船为钢质、箱型船体、主甲板上四角设平衡塔楼、无梁拱、方甲板、圆舭，可在近海海域进行半潜作业以及在无限航区进行拖带，为非自航无人甲板半潜驳。

1.2 船体改造

该半潜驳船在加装起重机设备后，由拖轮拖航至近海工作海域，然后坐底进行风机的吊装工作。改造设计主要是加装起重机设备，起重机由4条井架支撑，4条井架布置于半潜驳船Fr24～Fr26及Fr30～Fr32肋位，左右舷呈对称布置，并在井架与半潜驳船体联接处进行结构加强。为保证起重机在拖航时的安全，在左首平衡塔上设置起重机吊重臂搁架。改造后的半潜驳船总布置如图1所示。

图1 改装后的半潜驳船总布置图Fig.1 The general arrangement of the semi-submersible barge after retrofitted

2 全船有限元模型

结构有限元模型应能正确反映船体结构的刚度特点［6］。本文利用MSC.PATRAN软件对全船结构、井架以及基座等结构进行详细的有限元建模，包括整个船长、船宽范围内的船体结构，采用了板壳元和梁单元组合模型。

船体结构的惯性特性采用分布质量来处理，即根据单元的质量密度参数，由程序自动处理和分配到相关的节点上去。燃油及压载水等则通过质量点的形式加载到模型上。

全船有限元模型如图2和图3所示。

图2 全船有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of entire vessel

图3 全船结构有限元模型 (主甲板以下）Fig.3 Finite elementmodel of structures under upper deck

3 计算工况

选取拖航出港、拖航到港、坐底作业3种典型工况作为计算工况，各计算工况的载荷情况描述如表1所示。

表1 计算工况Tab.1 Load cases

4 载荷计算及加载

4.1 空船重量

1）船体重量

船体重量包含主船体重量和首尾平衡塔重量等。船体结构自身以惯性力的形式加载。另外，起重机以及为支撑起重机而设置的井架、基座、搁架以及其他附属设备等重量，均采用集中质量点的方法，均匀加载到相应的节点上。

2）压载水、燃油及淡水重量

本船共设置23个压载水舱，3个淡水舱，2个燃油舱。根据各计算工况的装载情况，将压载水、淡水和油水等等效为集中质量，均匀地加载到各压载水舱内的底板节点上。

4.2 舷外水压力

计算中考虑静水压力，以面压力的形式进行加载。根据各计算工况的吃水位置情况，建立压力场函数，按照水深情况加载到船体外板湿表面的板单元上。

4.3 波浪弯矩

在拖航出港及拖航到港工况时，船体需计及波浪弯矩。为实现设计方案论证阶段的多方案比较，本文采用简化方法完成波浪载荷的计算和施加，根据中国船级社《钢质海船入级与建造规范》［7］的相关规定。考虑到近海拖航，波浪弯矩可以折减5%。

船中中拱波浪弯矩的数值为:

式中:M为弯矩分布系数;C为系数;L为船长，m;B为船宽，m;Cb为方形系数;

波浪弯矩MW的施加，通过分布载荷施加到全船有限元模型强框架的外板节点上，从而实现了波浪弯矩载荷的施加［8］，如图4所示。

图4 分布载荷的加载方法示意图 (以FR77为例）Fig.4 Schematic diagram of loadingmethods of distributed load(Take FR77 for example）

4.4 吊重载荷

在坐底作业工况时，起重机将进行吊重作业。吊重作业时，起重机产生吊重弯矩通过多点约束MPC的方法，施加到有限元模型的相应位置。

4.5 船底支承力

在坐底作业工况时，船体将下沉直至坐底于海床上，进行吊装作业。此工况下，船体的底板将承受海床的支承力，船底支承力的计算简化模型如图5所示。

图5 船底板支承力计算简化模型Fig.5 Simplified calculation model of supporting force on bottom plate

根据力的平衡，有:

式中:ΔF为船体总重量与浮力的差值;b为船底板宽度;f1和f2为船底支承力的计算简化模型两端面的支承力;Mx为起重机吊重载荷弯矩。由几何关系，船底板支承力沿船宽方向的分布力为:

将船底支承力简化为压力，建立支承力场函数，按照分布施加于船底板相应的板单元上。

5 计算结果及分析

通过全船结构有限元计算分析，各计算工况下船体结构板单元相当应力、板单元剪切应力以及梁单元相当应力的最大应力计算值如表2所示，对应的全船结构应力计算结果云图如图6～图8所示。各许用应力值参考规范［9］中所提供的强度标准。

表2 各计算工况下各结构最大应力Tab.2 Themaximum stress of structure component in all conditions

图6 拖航出港工况全船应力云图Fig.6 The stress nephogram of hull under trailing(Departure）condition

图7 拖航到港工况全船应力云图Fig.7 The stress nephogram of hull under trailing(Arrival）condition

图8 坐底作业工况全船应力云图Fig.8 The stress nephogram of hull under diving condition

从计算结果可知，船体各主要构件的应力均满足文献［10］所规定的强度标准。在拖航出港、拖航到港、坐底作业3种典型工况中，坐底作业工况时的全船应力水平最高，应力较高的区域主要集中在起重机机架与半潜驳船甲板联结处，这是因为在坐底作业工况下，此区域结构需要承受起重机及其附属结构的竖向载荷，还要抵抗吊重风机作业时所产生的水平方向弯矩。由以上分析结果可知，该半潜驳改装海上风机吊装船的结构改装设计方法具有可行性。

6 结语

本文在东海大桥百兆瓦海上风机运输安装船成功改造的基础上，将1艘半潜驳船改装成海上风机吊装船，通过对该船的拖航、坐底及吊装等典型工况进行结构强度分析和评估，得到船舶改造设计的可行性方案，以期获得更大的风机运载能力。本文的研究成果为同类型海上风机运输安装船舶设计的可行性方案研究提供了依据，也为此类船舶的改装设计积累了经验，对相应的规范制定具有较好的参考价值。

［1］张崧，谭家华.海上风电场风机安装概述［J］.中国海洋平台，2009，24(3）:35－41.

ZHANG Song，TAN Jia-hua.Introduction of offshore wind turbine installation［J］.China offshore platform，2009，24(3）:35－41.

［2］秦琦.海上风机安装船的发展［J］.中国船检，2010(5）:78－81.

QIN Qi.The development of offshore wind turbine vessel［J］.China ship survey，2010(5）:78 －81.

［3］丁金鸿，谭家华.近海风电专用安装船概述［J］.中国海洋平台，2009，24(5）:6 －10.

DING Jin-hong，TAN Jia-hua.Introduction of offshore wind installation veseel［J］.China offshore platform，2009，24(5）:6－10.

［4］姚震球，韩强.海上风机吊装运输船及其吊装方式的研究概况［J］.船舶，2011，22(2）:54 －61.

YAO Zhen-qiu，HAN Qiang.On offshore wind turbine lifting transport vessel and its lifting modes［J］.Ship ＆Boat，2011，22(2）:54 －61.

［5］WAY J，BOWERMAN H.IMIS:Integrated marine installation system for offshore turbines［R］.Corus UK Ltd，2003.

［6］CCS.钢质海船入级与建造规范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］白建伟，李润培，顾永宁，等.集装箱船整船有限元结构分析［J］.船舶工程，2000(5）:8 －11.

［8］杜庆喜.船体结构强度直接计算方法研究［D］.武汉:武汉理工大学，2007.

［9］LR.Structural design assessment，primary structure of passenger ships［S］.2004.

［10］CCS.集装箱船结构强度直接计算指南［S］.北京:人民交通出版社，2003.

Research on structural strength evaluation of w ind turbine installation vessel retrofitted from sem i-submersible barge

XU Yong-chao，XIA Li-juan
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

The offshore wind turbine installation vessel is a type of ocean engineering vessel with carriage and lifting functions for offshore wind power equipment installation.In this paper，a Semisubmersible barge was retrofitted into an offshore wind turbine installation vessel.By analyzing typical operation conditions of trailing and diving，the stress distribution and the deformation are obtained with the help of finite elementmodel.The evaluationmethod and calculation results are helpful for structural strength assessment and retrofit plan feasibility study of this vessel，aswell as the retrofit design and development of similar vessels.

offshore wind turbine installation vessel;structural strength;finite element

U674.3

A

1672－7649(2014）05－0011－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.003

2013－11－20;

2014－03－28

国家自然科学基金资助项目(50909060）;海洋工程国家重点实验室青年创新基金资助项目(GKZD010059－20）

徐永超(1986－），男，硕士研究生，研究方向为结构强度计算分析。