风电运维船结构设计及强度有限元分析

张家锐， 陈超核

(1.广东船舶与海洋工程技术研究开发中心， 广东 广州 511458； 2.华南理工大学， 广东 广州 510640)



风电运维船结构设计及强度有限元分析

张家锐1，2， 陈超核1，2

(1.广东船舶与海洋工程技术研究开发中心， 广东 广州 511458； 2.华南理工大学， 广东 广州 510640)

摘要相较于单体船，双体船型航速高、耐波性好、航行平稳、操纵灵活，其突出的优点适宜用作支援风电维护工作的专用船型。本文的研究对象是一艘专门用于风电维护工作的铝合金双体船。根据规范，参照总体布置对双体船结构进行了设计，并采用直接计算法对其总横强度、抗扭强度和连接剪切强度进行校核。通过比较主船体和全船模型的应力分布情况，分析了上层建筑对强度的影响，最后根据分析结果对其设计过程提出了几点建议。

关键词风电运维船结构设计强度计算有限元分析双体船

0引言

随着海上风电场技术的发展和风电场的大规模建设，风电维护船的需求会越来越大，设计并建造适合海上风电维护的船舶也就成为风电维护亟待解决的问题。双体船型由于具有速度快、稳性和耐波性良好、甲板作业面积大，操纵性和机动性灵活等优点[1]，比较适宜用作风电维护工作的专用船型。

双体船由两个瘦长的单体船(片体)组成，上部用连接桥牢固地连接在一起，连接两片体的连接桥宽度较大，要求具有充分的横向强度和抗扭强度[2]。和单体船不同的是，双体船的总纵强度容易保证，但双体船在遭受横浪和斜浪时会使连接桥承受横弯和扭矩，因此结构设计中要充分考虑横向强度和扭转强度，以保证连接桥有足够的强度。现有规范中对连接桥设计的规定很少，国外在这方面已进行的研究[3-4]主要是采用有限元的分析方法研究双体船的强度，因此本文采用结构有限元软件对其进行横向强度和扭转强度的直接计算。

铝的密度是2.7 t/m3，仅为钢的1/3，并具有耐海水腐蚀能力强，无低温脆性等特点，因此采用铝合金建造的船舶较钢船具有结构重量轻、耐腐蚀、在相同的航速下所需的推进功率低等诸多优点[5]。但是铝合金材料的焊后屈服强度相对较低，故铝合金船舶需要重点考虑其强度问题。魏利[6]一文中主要是参照规范对风电场进行结构设计，并应用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立全船的有限元模型进行有限元分析。该文涉及的是钢质船，并且在有限元分析中未考虑上层建筑对总体强度的影响。管义锋等[7]一文中采用直接计算法对某小型双体铝合金客船进行全船有限元分析，对总横强度、抗扭强度和连接桥剪切强度进行校核分析，分析过程未考虑上层建筑对总体强度的影响。

1双体船结构设计

1.1双体船主要参数介绍

本文的结构设计对象是一艘20 m、服务于珠江口遮蔽航区的高速双体船，该船的主要用途是运送维护技术人员及工具设备至海上风电场，进行风电设备的维护和检修工作。总布置图如图1所示。

该船主要参数为总长20.0 m，水线长19.1 m，型宽6.0 m，片体宽1.8 m，型深3.2 m，设计吃水1.4 m，满载排水量71.4 t，航速20 kn，航区为遮蔽航区。本船主船体为铝合金结构、单甲板、单底、纵骨架式，每个肋位设置强横梁、强肋骨、实肋板组成横向平面框架：两片体之间的连接桥结构采用横骨架式结构。所用铝合金材料性能参数见表1。

图1　总布置图

材料屈服强度/N·mm-2焊后屈服强度/N·mm-2板材5083H321215125型材6082T6240115

1.2结构规范计算

本船结构规范计算根据CCS《海上高速船入级与建造规范》(2012)[8](下文简称《高规》)制定。根据《高规》4.4首先计算不同部位不同构件的设计计算压力值，然后根据《高规》4.5对铝船体结构的构件尺寸进行设计，得到在该压力下规范所要求的构件参数。经过规范计算校核的主要构件尺寸如表2所示。

表2　经过规范计算校核的主要构件尺寸　　　　　　　　　　　单位：mm

2结构计算模型

2.1结构分析模型

根据《高规》的要求，借助ANSYS WORKBENCH软件对该双体铝合金高速船进行全船有限元分析，参考《高规》附录2的直接计算法施加边界条件和载荷，通过计算可以获得全船应力分布和变形规律。

该模型取包括上层建筑在内的全船结构，模型外板及横舱壁板等均采用壳单元模拟，其他骨材采用2节点梁单元模拟。本船为左右对称结构，模型总节点数为36 597，单元数为37 654，材料为耐腐蚀高强度铝合金，弹性模量E=0.69×105N/mm2，泊松比0.3，模型如图2所示。根据《高规》要求，对其总横强度、抗扭强度、连接桥剪切强度进行校核。

图2　全船有限元模型

2.2载荷及边界条件

《高规》附录2中对载荷2.2和边界条件4.2都有具体的规定。

2.2.1双体船横向弯曲

按《高规》4.8.6.1，双体船的纵横弯矩按下式计算：

(1)

式中：Mt为纵横弯矩，kN·m；C1为根据航区不同提供的航区系数，查得遮蔽航区为C1=0.125；b为片体中心线间距，b=4 m；《高规》附录2中2.2.2规定，Mt在计算时，全船重心处的垂向加速度acg的取值不小于9.81 m/s2。acg按《高规》4.4.1.2公式计算：

(2)

式中：g为重力加速度，取g = 9.81 m/s2；VH为船在有义波高H1/3的波浪中航行的航速，取最大服务航速20 kn；H1/3为有义波高，取遮蔽航区营运限制 H1/3max=2.0 m；β为船体重心处横剖面的船底升角，取β=30°；KT为船舶类型系数，KT=1；BWL为设计水线宽，取两片体水线宽度3.6 m；Δ为排水量，71.7 t。将以上数值代入公式，得acg=5.21 m/s2；Mt=350.22 kN·m。

进行有限元分析时一般将横向弯矩对船体的作用等效为横向对开力Fy(见图3)，Fy的大小按下式确定：

图3　横向对开力示意图

(3)

式中：y为连接桥中和轴(横截面在此轴线弯曲正应力为0)至水线的垂直距离，取1.3 m；d为吃水，m。将相关数据代入后，Fy=206.01 kN。在进行具体加载操作时，Fy将以若干集中力的形式施加到船体节点上。每个节点处的集中力为Fy的值除以所要施加载荷的节点个数。

此种工况下，根据《高规》附录2中4.2，可以在船艏和船艉连接桥结构上选取三个点施加边界条件。所选取的点如图4所示，对A点X，Y，Z三个自由度约束，对B点Y，Z两个自由度约束，对C点Z自由度约束或者对C′点Y自由度约束。

图4　横弯边界约束

2.2.2双体船扭转

按《高规》4.8.6.4，各类双体船的两片体因不同步纵摇引起的对横向(即船宽方向)扭矩按下式计算：

(4)

此扭矩对于船体的作用，可以通过施加在片体上的垂向剪力来模拟。本文以均布节点力施加在片体底部中纵桁上的形式来模拟扭矩对船体产生的作用，所选取的点如图5所示，对A点X，Y，Z三个自由度约束，对B点X，Z两个自由度约束，对C点Z自由度约束或者对C′点X自由度约束。

2.2.3连接桥垂向剪切

按《高规》4.8.6.3，双体船在连接桥结构纵中剖面处的垂向剪力按下式计算：

图5　扭转边界约束

(5)

式中：Qt为垂向剪力，kN；C2为航区系数，遮蔽航区为C2=0.167；计算得Qt=116.97 kN。

此剪力对船体的作用，采用等效、对称、同向的节点力施加在纵向主要构件上来模拟。Qt除以节点个数所得到的力大小即是要施加到节点上的节点力。选取的约束点如图6所示，对A点X，Y，Z三个自由度约束，对B点Y，Z两个自由度约束，对C点Y自由度约束，对D点Z自由度约束。

图6　垂向剪切边界约束

3计算结果分析

3.1总强度许用应力

《高规》附录2中4.4对总横强度、抗扭强度、剪切强度的许用应力要求如表3所示。

表3　板、梁单元许用应力

表3中：σsw为材料焊接后的屈服强度，铝合金板材σsw为125 N/mm2，型材σsw为115 N/mm2。

3.2有限元计算结果

3.2.1横弯工况作用下的计算结果及分析

板单元部分的Von Mises 应力云图如图7(a)、图7(b)所示。从计算结果可知，全船构件所受应力均较小。出现应力集中的地方是连接桥和片体接口部位，从整个应力分布图上可以知道连接桥和横舱壁处的应力都较大，是主要受力构件。另外，上层建筑与甲板连接的地方以及结构不连续的甲板升高处都出现了较明显的应力集中。全船结构中，应力集中的最大值出现在5#肋位处的横舱壁与连接桥底板连接部位，应力值为57.80 N/mm2。主船体中，舱壁与连接桥底板和甲板相连的部位普遍出现了应力集中的现象，其他部分所受应力均较小，最大应力值出现在5#肋位处的横舱壁与连接桥底板连接部位，应力值为54.50 N/mm2。

图7　横弯工况全船构件Von Mises应力云图

3.2.2扭转工况作用下的计算结果及分析

扭转工况下板单元部分的Von Mises 应力云图如图8(a)、图8(b)所示。从计算结果可知，此时连接桥和片体总体出现了反对称扭转变形。整个船体整体应力水平比横向弯曲工况时要大，整个连接桥结构尾部所受的应力明显大于首部，而且在横舱壁与连接桥交接的肋位处均出现了较大的集中应力。全船结构中，上层建筑内靠近开口的地方以及与连接桥甲板连接的地方都出现了应力集中的现象，同时窗户附近应力也较大；主船体结构中，应力分布与全船结构应力分布规律基本一致，但是由于没有上层建筑的影响，其应力水平稍大于全船结构应力水平，局部位置因受上层建筑影响稍大而有所不同。在不同步纵摇扭矩的作用下，全船结构(包括上层建筑)中，应力集中最大值出现在船尾连接桥底板与片体连接处，其值为37.90 N/mm2；主船体结构中，应力最大值也是出现在船尾连接桥底板与片体连接处，其值为43.80 N/mm2。

图8　扭转工况全船构件Von Mises应力云图

3.2.3垂向剪切作用下的计算结果及分析

垂向剪切作用下的全船应力云图如图9(a)、图9(b)所示。从计算结果可知，船体出现了轻微的横向中垂变形，全船构件所受应力均较小。横向上看，连接桥甲板上所受到的应力明显大于两片体甲板区域所受到的应力；纵向上看，外板首尾部位应力较高，船中部位应力较低；出现应力集中的部位是舱壁与连接桥底板相连的部位以及横隔板与连接桥甲板相连的部位，笔者认为主因是船体在受到垂向剪切作用时，船体产生变形，舱壁与连接桥作用使其出现了应力集中。在此种工况中，上层建筑构件所受应力均较小，只在上层建筑与甲板连接部位和靠近船中的开口部位出现了稍大的应力集中。全船结构中，应力集中的最大值发生在5#肋位处的连接桥横隔板与连接桥甲板连接部位，其值为36.50 N/mm2；主船体结构中，应力集中的最大值发生在5#肋位处的连接桥横隔板与连接桥甲板连接部位，其值为25.30 N/mm2。

图9　垂向剪切工况全船构件Von Mises应力云图

板单元的应力结果见表4，通过计算分析校核，可以确定该双体船的结构设计强度满足规范要求。

表4　板单元的等效应力和剪切应力　　　　　　　　　　　　单位： N/mm2

4结论

通过对此双体船进行有限元分析计算，可以得出以下结论：

(1) 通过有限元的分析计算，经过设计的双体船的结构满足《高规》对双体船总强度的要求。论文中的结构设计过程以及全船有限元分析法校核铝合金船体结构强度的方法，可以为以后同类船的结构设计和强度校核提供借鉴和依据。

(2) 通过计算分析发现，在横弯、扭转、垂向剪切工况下，双体船横舱壁和连接桥是承受应力的主要构件。连接桥和片体接口部位的应力集中比较大，因此，对该部位的结构和连接方式在设计时应当予以加强。

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(3) 通过比较全船有无上层建筑两种计算模型的强度计算结果可以发现，上层建筑在较大程度上参与了总横强度以及主船体扭转强度，这种影响能在一定程度上减小甲板、连接桥等相应部位接触的受力状态。考虑到该双体船上层建筑在船长范围内约占了1/3，因此对主船体构件受力状态的影响还是有限的。

(4) 从计算结果来看，此双体船的构件除连接桥和横舱壁外，所受应力均较小，构件受力大小，以及与许用应力相比，都有一定的差距，这样会浪费船用铝材，同时导致船体的重量增加。因此，在完善该双体船时，考虑在规范规定的范围内较小构件尺寸，加强应力集中区域的结构和连接方式，如此既可以改善船体的受力状态，又可以减轻船体重量。

参考文献

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[5]崔立. 铝合金舰船结构设计中相关问题探讨[J]. 船海工程，2008(6)：5-7.

[6]魏利. 双体风电运维场维护船的结构设计及结构强度研究[D]. 镇江：江苏科技大学，2014.

[7]管义锋，黄涣青，谷家扬，等. 双体铝合金客船强度有限元分析研究[J]. 船舶工程，2011(6):14-17.

[8]中国船级社. 海上高速船入级与建造规范[S]. 北京：人民交通出版社，2012.

作者简介：张家锐(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶结构响应及优化设计。

中图分类号U662

文献标志码A

Structure Design and FEA Calculation for Strength of Windfarm Support Vessel

ZHANG Jia-rui1，2， CHEN Chao-he1，2

(1.Naval Architecture and Ocean Engineering R & D Center of Guangdong Province, Guangzhou Guangdong 511458, China; 2.South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640， China)

AbstractBecause of the advantages of its high speed, good stability and seakeeping, and flexible maneuverability and mobility, the catamaran are suitable for windfarm support work. We chose an aluminum alloy catamaran windfarm support vessel as the research object in this paper and process structure design according to the overall layout. The Finite Element Analysis(FEA) is used for the hull strength of it with the direct calculation method, checks the total transverse strength, torsional strength, and shear strength of the connecting bridge. Besides, we analysis the influence of superstructure to strength by comparing the stress distribution of main body and the whole ship model, then put forward some suggestions to the design process according to the calculated results.

KeywordsWindfarm support vesselStructure designStrength calculationFinite element analysisCatamaran