风电维护船连接器结构强度分析

谢云平，张裕堂，孔祥明

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

风电维护船连接器结构强度分析

谢云平，张裕堂，孔祥明

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

以海上风电维护船连接器为研究对象，考虑风电维护船连接器系泊状态下的运动，计算不同浪向条件下连接器的受力情况，对连接器进行结构强度分析，结果表明，连接结构强度能满足维护船系泊使用要求。

风电维护；连接器；结构强度；有限元分析

随着海上风电事业高速发展，小型风电维护船船型的研究开发已比较成熟[1]，建造适用于风电维护船与风机塔基靠船件的连接器也就成为风电维护工作亟待解决的问题。海上风电技术比较成熟的欧美等国家，已经设计并在实船上使用了专业的连接器。英国OSBITPower公司于2012年Seawork海事展展出了最初版的MaXccess‐T12系统，并安装于“Fred.OlsenWindcarrierBayard3”号船。芬兰mobimar公司设计并建造了”Mobimar18 Wind”号风电维护船，加装了专业的连接器。目前，国内对风电维护船已经做了一定程度的研究，但对加装于船体上的连接器研究相对较少，因此有必要对风电维护船连接器结构进行研究，以适应较大风浪时海上风电场维护工作的需要。

为此，分析风电维护船系泊状态下的运动情况，并设计了一种风电维护船连接器，针对结构强度进行分析，寻求构造简洁且强度有保证的结构方案，以满足海上风电维护工作人员安全的使用要求。

1 连接器方案及受力分析

1.1 连接器方案简介

漂浮在海上的风电维护船具有6个自由度(3个旋转和3个平移)，分别为纵荡ΔX、横荡ΔY、垂荡ΔZ、横摇Δα、纵摇Δβ和艏摇Δγ[2]。当不进行主动控制而且没有连接器进行约束时，船体可自由扭转和移动。

传统系泊中，船体与风机塔基没有被完全固定，螺旋桨推力使艏部橡胶垫紧靠于靠船件，即限制船体纵荡ΔX，然而橡胶垫产生的阻尼作用有限，不能对其他5个自由度做有效限制。风浪较大时，船体随着货物的卸载等升沉运动加剧，延长船舶海上作业时间，垂荡ΔZ过大，会使人员产生严重失重感，安全得不到保障[3]。船舶运动中对靠船件的碰撞也将影响结构强度和稳定性。

为了解决以上问题，设计并制造专业的连接器成为必然。除了实现最基本的可靠连接外，允许一定的旋转自由度，恰当地释放连接处过大应力，也是连接器设计中需要着重考虑的问题。结合连接器使用要求，确定用于风电维护船的连接器应满足以下自由度约束关系。

1)限制：纵荡 ΔX；横荡 ΔY；垂荡 ΔZ。

2)允许：横摇 Δα；纵摇Δβ；艏摇Δγ。

单立柱基础在已建成的大部分海上风场中应用广泛[4]。文中选取的单立柱基础上安装有2个靠船件，靠船件立柱直径为0.4 m，2立柱间距为2 m，结合上述连接器应满足的自由度约束关系，对连接器进行初步设计，见图1。连接器工作时，机械手握紧靠船件立柱，限定船艏纵荡 ΔX、横荡 ΔY和垂荡ΔZ3个自由度；船体可绕连接轴轴向旋转，允许横摇Δα；连接轴与连接主体之间采用十字轴连接，释放纵摇Δβ、艏摇Δγ两个旋转自由度。

图1 连接器结构示意

连接过程的实现：将风电维护船行驶至指定位置，调整船舶浮态，并通过连接主体顶靠在靠船件上，即完成了初步定位；液压系统供油，液压缸活塞杆伸出带动机械手绕销轴转动，进而完成机械手夹紧靠船件动作；反之，液压缸活塞杆收缩，实现机械手的松开。在连接过程中，双向作用筒式减振器通过十字接头与连接主体后方长耳板活动连接，对连接器整体运动起缓冲作用，维持连接器的水平姿态，确保连接器与靠船件能有效对接。连接动作完成后，无需螺旋桨推动亦能保证有效连接，降低燃油消耗。

1.2 连接器受力分析与载荷计算

1.2.1 受力分析

应用水动力软件AQWA进行相关载荷计算。分析连接器受力对其模型进行简化：连接器位于水面以上，不参与波浪辐射势、绕射势求解，只进行浮体运动求解，且只需输出连接轴断面接触力，可对连接器模型进行简化处理[5]。双向作用筒式减振器传递拉压力远小于其他接触力，可以忽略不记；将连接主体作为刚体处理对连接轴受力影响不大，故视其为刚性体；机械手抓紧靠船件后，连接主体相对靠船件固定不动。综上所述，为求解连接器载荷只需建立船体与连接轴模型即可。

整体坐标系为笛卡尔空间固定坐标系OXYE，原点位于连接末端截面重心处，轴OX自船艉指向船艏，轴OY指向左舷，轴OZ垂直于自由水面向上。局部坐标系为随体坐标系，轴OX1与连接轴轴线方向保持一直，轴OY1沿心轴2轴向，局部坐标系遵守右手螺旋法则。整体坐标系和局部坐标系示意见图2。

图2 整体坐标系和局部坐标系

船艏与连接轴采用活动连接，仅允许船体绕轴OO1转动；连接轴另一端与空间固定点O建立约束方程，仅允许连接轴绕轴OY1、OZ1转动。根据以上运动约束关系得，连接轴上O1节点所在截面将承受由波浪诱导载荷引起的拉压力及弯矩，主要包括FX、FY、FZ、MY、MZ，该截面载荷即为连接器载荷。

1.2.2 载荷计算

图3 LC06工况下O1节点载荷时历曲线

表1 工况定义及JONSWAP谱参数

2 结构强度分析

2.1 工况及模型

2.1.1 工况定义

为保证人员安全，风电维护船系泊作业对现场环境条件的选择要求极为严格，因此选择施工中允许的最恶劣海况进行计算。波浪谱选用JONSWAP谱，表1对工况定义及JONSWAP谱参数做了说明[8-9]。

2.1.2 模型

采用Solidworks建立连接器几何模型，导入ANSYS Workbench模块，进行网格划分，连接器结构有限元模型见图4。

图4 连接器结构有限元模型

根据文献[10]可得，十字衬套材料为铍青铜QBe2，弹性模量E=130 GPa，泊松比ν=0.35，材料密度ρ=8.3×103kg/m3；连接轴调质钢40 Cr，弹性模量E=211 GPa，泊松比ν=0.28，屈服强度σs=700 MPa，材料密度ρ=7.87×103kg/m3；销轴材料为渗碳钢20CrMnTi，弹性模量E=212 GPa泊松比ν=0.29，屈服强度σs=850 MPa，材料密度ρ=7.86×103kg/m3。其他各构件材料选用45号钢，弹性模量E=209 GPa，泊松比ν=0.27，屈服强度为σs=370 MPa，材料密度为ρ=7.89×103kg/m3。

2.2.1 边界条件

连接器是由构件及运动副形成的可动系统。在Workbench中采用各自划分网格，在单元界面上定义接触单元的方式处理运动副。心轴2与连接主体，十字衬套和连接主体，心轴4与连接轴，十字衬套与连接轴之间接触定义为No separation连接；心轴2与连接主体，心轴4与连接轴之间转动副定义为Revolute连接；其余各接触均定义为Bonded连接。机械手抓紧靠船件后，连接主体相对靠船件固定不动，故对连接主体、机械手与靠船件的接触面施加固定约束，即面1、2、3、4处均添加固定约束，见图5。

图5 边界条件示意

2.2.2 载荷施加

根据文中的理论和求解步骤，计算得到各工况合成弯矩最大时刻O1节点处接触力，即连接轴断面接触力，见表2。连接器分析须考虑惯性力，故对连接器进行瞬态动力学分析，在Workbench中，FX、FY、FZ以方向载荷形式施加到连接轴端面上，MY、MZ以力矩载荷形式施加到连接轴端面上，图6中面5即为载荷施加面。分析时间历程取为0.01s，载荷为恒定载荷。

表2 连接器载荷

图6 载荷施加示意

2.3 结果计算与分析

利用模态叠加法对连接器进行瞬态动力学分析，得到各工况下各构件的应力云图见图7～9。以LC06工况为例给出连接主体、十字铜套、心轴2、连接轴的相当应力，该工况反映了各工况下主要构件应力水平的一般趋势。在表3中总结了各工况下主要构件的最大应力。

图7 LC06工况下连接主体相当应力

图8 LC06工况下十字衬套相当应力

图9 LC06工况下心轴2相当应力

表3 各工况下主要构件的最大应力 MPa

根据文献[10]中《轴精确强度校核》得，连接轴为大直径铸造轴，静强度许用安全系数取为2.5，许用应力为280 MPa；销轴静强度许用安全系数取为1.77，许用应力为480 MPa，其他各构件安全系数按照抗变形选取为1.3，许用应力为284 MPa。

分析7种工况的有限元计算结果可知，连接器最大应力均出现在心轴2上，具体位置为心轴2与连接主体耳板开孔边缘接触处。心轴2传递连接轴上的载荷于连接主体，本身承受较大拉压、剪切，且该位置与开孔边缘接触，承受线载荷，容易出现应力集中。心轴2最大应力为437 MPa，小于许用静应力480 MPa。连接主体最大应力出现在筋板与耳板圆弧连接处，耳板与液压缸缸体连接，液压缸工作时产生的反作用力作用于该区域，同时该区域存在结构上的突变，故而应力较大，最大应力258 MPa，小于许用静应力280 MPa。其余各构件应力水平较低，在各工况下应力水平不超过150 MPa，远小于各材料许用应力。应力结构表明，连接主体是连接器的主要承载构件，其他构件主要起运动传动作用；心轴2起力的传递作用，本身应力水平较高，这些与以往的经验相一致。

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3 结束语

1)基于三维势流理论，在频域及时域下求解运动方程得到连接器载荷，这种方法能较真实且合理地模拟连接器作业时所受到的载荷，这种分析方法可以推广到其他连接器强度分析中。

2)针对连接器整体进行有限元强度计算，避免对单个零部件进行分析所带来的载荷及约束难以确定的困难，简化分析过程。仿真计算结果表明，连接器结构强度满足工程使用要求。

文中有限元分析基于弹性分析理论，未计入非线性变形对应力计算结果的影响；连接器承受实际载荷为周期性，本文分析仅针对最恶劣工况，关于结构的疲劳寿命分析，将在今后的工作中进行研究。

[1] 谢云平,张秀萍,杨铃玉.海上风电场维护船船型总阻力和纵摇升沉运用研究[J].船海工程,2014,43(2):66-70.

[2] 李积德.船舶耐波性[M].北京:国防工业出版社,1981.

[3] 胡 毅,胡紫剑,刘元丹,等.基于AQWA的大型LNG船码头系泊分析[J].舰船科学技术，2012,34(2):70-73.

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[9] FALTINSEN O M.船舶与海洋工程环境载荷[M].上海:上海交通大学出版社,2008.

[10] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002.

《船海工程》征稿简则

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Strength Analysis of the Connector of Offshore Wind-farm Maintenance Ship

XIE Yun-ping,ZHANG Yu-tang，KONG Xiang-ming

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Taking the connector of offshore wind-farm maintenance ships as the research object, the loads acting upon the connector in different wave conditions are calculated considering the motions of the ship in mooring state. Then the structural strength of the connector is analyzed by FEM. The numerical results show that the strength of connector can meet the maintenance requirements in mooring state.

wind farm maintenance; connector; structural strength; FEM analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.040

2014-07-15

江苏省前瞻性联合研究项目(BY2012183)

谢云平(1964-)，男，硕士，高级工程师

U664.6

A

1671-7953(2015)01-0158-05

修回日期：2014-09-02

研究方向:船舶与海洋结构物设计

E-mail:xyp-ecsi@sohu.com