“辽河一号”风机安装船结构设计

刘 晔 张晓宇 张秀岩 杨 雪

（渤海装备公司研究院 海工装备分院 盘锦124000）

引 言

“辽河一号”风机安装船主要用于海上风力发电机的运输、安装作业，同时具有自航和浮吊作业能力，一次可载运2台5 MW整体式风机至海上风场，并使用自身全回转吊机对风机进行安装。本船由首至尾依次为首部生活区、货物甲板区域和尾部区域，采用8点锚泊定位系统，以满足200 m水深范围内的作业要求。当水深小于9.5 m时，也可以采用座底作业方式。燃油舱布置在尾部并设双壳保护。船旗国及沿岸国为中国，入CCS船级，满足最新的公约、规范和法规要求。

该船主要参数如下：

1 结构设计及布置原则

船体结构设计的主要内容是在满足船舶总体设计要求下，解决船舶结构形式、构件尺度与连接方式的设计问题。把尽可能降低结构重量作为主要设计目标，保证船体有足够的强度和刚度；同时考虑工艺可行性、建造便捷性，从而降低船舶成本，获得良好的技术经济性能［1］。根据本船的结构特点，遵循以下设计原则：

1.1 载荷的有效传递性

当载荷作用在某个构件上时，构件可将尽可能多的载荷有效传递给与其相连的其他构件，其他构件再将载荷传递给相连构件，使尽可能多的构件共同参与抵抗由于载荷的作用所带来的应力、变形，降低作用在每个构件上的载荷。

1.2 结构的连续性

主要构件应避免剖面或高度的突然变化，当构件在舱壁或其他主要构件的两侧对接时，应保证其位置在同一直线上。液舱内的主要构件应构成一个连续性的支撑，并尽可能形成一个完整的环形框架，并在环形框架的结合处设计成具有足够半径的圆角。骨材及肘板端部终止时应与另一骨材或肘板连接，否则骨材端部应削斜、肘板端部设计成软趾，避免应力集中。

1.3 结构中断时应有适当的过渡区

构件特别是纵向构件中断时应逐渐过渡，纵骨在首尾端随着船宽减小，其数量也应逐渐减少，不允许较多纵骨在同一肋位上中断。

1.4 施工的便捷性

设计时尽可能避免在狭小空间内布置各种密集构件，不可避免时应考虑改变结构形式，例如，加强结构密集布置带来的焊接、打砂不便时，可以将加强结构设计成球扁钢或扁钢。

1.5 工艺的可行性

工艺因船厂不同而存在很大差异，根据实际情况，充分考虑工艺水平，将本厂的各项工艺方针、政策贯彻在结构设计中。例如：对纵骨穿越孔进行优化，从而满足本厂预密性试验的要求。

2 材料选择

本船结构设计温度为：最低空气温度为-10℃，最低海水温度为-2℃。根据船级社规范相关要求，在船舯0.4L范围内，甲板边板、纵舱壁处甲板、舷顶列板、舭列板选用CCS-B级钢，其余位置的甲板、船底板和纵舱壁最上列板选用CCS-A级钢，舷侧及纵舱壁选用CCS-A级钢，尾部主吊机筒体及加强结构选用CCS-E36级钢，直升机甲板选用铝合金材料，其他位置结构根据要求选用CCS-A级钢，用作设备加强的加厚板选用CCS-B级钢。

3 结构布置

3.1 货物区结构

货物区4道水密横舱壁和2道水密纵舱壁将主船体分为共计15个压载舱，2个管隧通道由首至尾左右对称布置在该区域，泵舱靠近首部布置并设有双层底，燃油舱及柴油舱布置在该区域尾部，采用双壳双底进行保护，以满足IMO MARPOL73/78及最新修正案的要求。

货物区结构采用纵骨架式，能够在满足总纵强度的情况下，有效降低船体结构重量。该区域主甲板下主要是压载舱和燃油舱等液舱，纵骨设计成高腹板的球扁钢，与相同横剖面面积的其他型材相比，可以提供更大的剖面模数，典型横剖面图见下页图1。

3.1.1 主甲板

图1 典型横剖面图

甲板纵骨间距750 mm，纵骨在水密横舱壁处保持连续，水密横舱壁穿越孔加水密补板，每4个肋骨间距布置一道强横梁对纵骨提供支撑，强横梁与舷侧强肋骨及船底肋板组成一个封闭的环形框架，保证结构的连续性。此外，鉴于本船型深较小、型宽较大，且甲板所载货物风机质量很大，甲板载荷达15 t/m2；为了满足总纵强度和局部强度的要求，又要使船体质量得到控制，增加了主甲板及底板的厚度，这是提高船体剖面模数的有效方式［2］。

经过如上的化简.我们已经知道了一般的仿射坐标系下两个外积的坐标表达式.这个表达式中的每一项都是与e1,e2,e3这组基向量的选取相关的,但是最后我们算出来的结果却是与基向量的选取无关的量,体现了解析几何中的一个重要的本质问题:坐标只是一个强而有力的工具,我们更关心的是那些不依赖于坐标的选取而变化的量.

3.1.2 底 部

底部选用单底结构，仅在泵舱、燃油舱、柴油舱等局部位置设计成双层底，这样在满足总纵强度的情况下可以进一步减轻船体结构质量。与甲板相同，每4个肋骨间距布置一道实肋板，底部纵骨在水密横舱壁处连续，水密横舱壁穿越孔处加水密补板。水密纵舱壁左右对称布置在距中心6 000 mm处，水密纵舱壁内侧设2道内部通道，由首部泵舱通向尾部推进器舱，用作集中布置管路、电缆，同时兼作内部人员通道。

3.1.3 舷 侧

舷顶列板与甲板边板连接处高出甲板100 mm用作挡水扁铁。在与底部连接的舭部设有多段非连续舭龙骨，便于建造时船台合拢前，将舭龙骨安装完毕，避免了连续舭龙骨船台大合拢时由于舭龙骨覆板贴装件焊接对压载舱涂层的破坏，舭龙骨的位置根据船模试验确定。

3.1.4 水密横舱壁

水密横舱壁采用平面舱壁，由垂向布置的扶强材、垂直桁、水平桁及舱壁板组成，扶强材上下端与甲板及底部纵骨对位便于构件连接。扶强材和垂直桁一起保证垂向强度，水平桁支撑垂直扶强材，且和舱壁板一起承受横向载荷保证主船体横向强度。

3.2 首部结构

该区域主甲板下设压载水舱，主甲板与01甲板间设有2个独立的机舱，每个机舱布置3台柴油发电机组，机舱两侧为淡水舱，前端为压载水舱。本船航速较低，吃水较浅，主体线型设计成折角线型，不仅有利于结构的加工制造，而且有利于首部结构的布置；因此货舱区纵骨结构向首部延伸是可行的，综合考虑将本区域结构采用混合骨架式结构。考虑到首部抨击对结构的影响，外板进行适当加厚，每档肋位设置强框架保证抨击区的局部强度。

3.3 尾部结构

尾部主甲板下布置有2对压载舱、1对推进器舱，800 t全回转主吊机布置在船体中心线上，吊机筒体结构穿过主甲板座落在B甲板上形成1个空舱。

推进器底座设计成高腹板的T型材结构，降低船舶航行推进器引起的结构振动，T型材之间用横隔板作横向加强，T型材首端适当调整后与底部纵骨对接，尾端与艉封板上的扶强材用肘板连接。

图2 主甲板吊机筒体结构图

4 节点设计

船体结构中存在着数量众多的节点，节点的合理改进不仅有利于改善结构的力学性能，同时也在建造中方便施工，优化工艺。本船在进行结构设计时对各类节点进行改进，其中最典型的是防倾肘板和水密穿越孔及补板。

4.1 防倾肘板

传统的强框架在纵骨处的防倾肘板根部开有R35 mm×70 mm的切口，强框架背面设有小肘板，如图3中（a），但由于增加小肘板既增加空船质量，又增加建造时人工工时和钢料。本船节点设计时去掉了强框架背面的小肘板，把防倾肘板根部的切口改进为长圆孔，如图3中（b）［3］。

图3 防倾肘板切口

4.2 水密穿越孔及补板

为满足PSPC要求，平台结构建造时将舱室密性试验由船坞阶段前移到分段制作或中组阶段进行是非常必要的，水密构件角焊缝通常采用角焊缝充气试验作为预密性试验的手段。为保证角焊缝充气试验时气道的畅通，对影响角焊缝充气试验的穿越孔及补板在结构设计时要进行改进，采用了图4的形式，补板的切角a×a不再采用传统固定大小的形式，改进为比该处纵骨焊角高度大1 mm［4］。

图4 穿越孔及补板

5 船体强度分析

航行工况下船体结构已根据相关规范进行校核。本文针对本船的工作特点选取典型危险工况对全船进行有限元分析，通过直接计算的方法保证结构安全性。有限元分析采用ANSYS软件按结构图纸进行建模，主甲板、舷侧、底部、舱壁等平板构件以及强横梁、强肋骨等桁材结构均采用板单元进行建模，各种骨材均采用梁单元进行建模。有限元网格划分原则为：船体横向和垂向以1个纵骨间距为1个单元，纵向以1个肋骨间距为1个单元。有限元模型见下页图5。

船体结构分析选取船舶运营过程中典型的危险工况，具体工况参见下页表1。

图5 船体有限元模型

表1 平台结构分析工况

各工况分析过程中采用AQWA-LINE软件计算单位波高下，不同频率、不同角度的波浪力，取迎浪时中拱、中垂两种情况，通过AQWAWAVE衍射到船体模型上。同时座底作业工况和漂浮作业工况要考虑吊机载荷，选取吊机产生最大力和力矩的工况，力矩方向分别与波浪产生的中拱、中垂进行叠加，即载荷按照最不利情况进行组合的原则。

尾部800 t全回转吊机底部结构进行局部强度分析，有限元模型将整个船体尾部结构考虑进来，有限元模型见图6。

图6 平台艉部结构有限元模型

吊机载荷工况如表2所示，力矩载荷施加时按照360°每隔30°进行搜索计算，以获得吊机臂在每个角度下的底部结构应力水平。

表2 尾部 800 t吊机底部结构分析工况

6 有限元分析结果

根据CCS规范［5］及相关要求，用有限元分析软件ANSYS及水动力分析软件AQWA，对船体在各种工况下结构强度进行计算，对于参与结构分析的船体结构构件应按以下规定确定其许用应力［σ］：

式中：σS为材料的屈服强度，N/mm2；S为安全系数。

船体结构所用钢材为CCS-A或CCS-B钢级，尾部吊机筒体及加强结构采用CCS-E36钢级，取用的安全系数为1.11。因此主体的许用应力［σ］为211.7 MPa（235/1.11=211.7），尾部加强结构的许用应力［σ］ 为 324 MPa（360/1.11=324）。

根据本船结构特点，由尾至首将平台分成7个舱段，分别是：尾部舱段（尾封板到33肋位），第2舱段（33肋位到57肋位），第3舱段（57肋位到81肋位），第4舱段（81肋位到105肋位），第5舱段（105肋位到129肋位），第6舱段（129肋位到153肋位），首部舱段（153肋位到艏部）。

主体结构分析和尾部吊机底部结构的von Mises应力水平分别见下页表3-表6，应力云图见下页图7-图12，经校核船体结构屈服强度满足规范要求。

屈曲校核主要针对压应力和剪应力较大的板和构件。本船设计考虑甲板作业、座底和装载等情况，为满足结构强度选取的结构板厚都较大，不易发生屈曲破坏。通过对受压板格、受压纵向构件以及受剪的板格进行屈曲校核，均满足屈曲强度要求。

表3 工况1主体结构von Mises应力水平 MPa

表4 工况2主体结构von Mises应力水平 MPa

表5 工况3主体结构von Mises应力水平 MPa

表6 艉部吊机底部结构von Mises应力水平 MPa

图7 工况1全船结构von Mises应力云图

图8 工况2全船结构von Mises应力云

图9 工况3全船结构von Mises应力云图

图10 工况4吊机底部von Mises应力云图

图11 工况5吊机底部von Mises应力云图

图12 工况6吊机底部von Mises应力云图

7 结 论

“辽河一号”风机安装船结构设计选用铝合金直升机甲板，改进结构布置，取消强框架防倾肘板背面的小肘板，有效降低了船体结构质量，有限元计算表明船体结构满足规范要求。在设计中通过对防倾肘板切口的优化，去掉背面小肘板，在一定程度上降低了结构质量；同时在遵循相关设计规范的前提下，采用非连续舭龙骨、方形吊机筒体结构、适合预密性试验的水密补板形式等多项措施，尽可能便于在建造时的现场施工，并满足了工艺要求。

［1］ 刘向东.船体结构与强度设计［M］ .北京：人民交通出版社，2007.

［2］ 乔国瑞，孙雪荣，周佳，等.3 000 t自航起重船结构设计与强度分析［J］.船舶，2011（5）：21-26.

［3］ 潘希颍.散货船底部纵骨防倾肘板节点疲劳优化研究［J］ .船海工程，2014（4）：9-14.

［4］ 刘晔.角焊缝充气试验在自升式船体上的应用［J］.船海工程，2014（4）：94-95.

［5］ 中国船级社.海上移动平台入级规范［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［6］ 中国船级社.钢质海船入级规范［M］ .北京：人民交通出版社，2009.