自升式风车安装船桩靴强度评估

李连亮，刘仁昌，张利军，王永刚，何佳琦，汪 勇

（中远船务工程集团有限公司，辽宁大连 116600）

自升式风车安装船桩靴强度评估

李连亮，刘仁昌，张利军，王永刚，何佳琦，汪 勇

（中远船务工程集团有限公司，辽宁大连 116600）

简要介绍近海风车安装船的功能和特点。选取风车安装船自存、作业、预压载等典型设计工况，结合装载工况、入泥深度、桩腿基础处的边界条件等因素，参考挪威船级社规范的推荐方法，应用SESAM软件建立有限元模型对桩靴结构强度进行评估。

风车安装船；自存；作业；预压载；桩靴；强度评估

0 引言

近海风车安装船是一种全新的海洋工程船舶，主要用于海上风力发电机组的运输、安装和维护。它将常规船舶运输、自航与海洋平台的自升、起重船起重等多船功能变为一船独立完成。最新一代风车安装船配有先进的动力定位系统和自动控制系统，操作灵活，自动化程度高。

中远船务承接了工信部项目近海风电设备安装船的研制，该船采用自升式结构物设计，配有起重能力为900t的大型吊机，选用圆筒形桩腿和插销式液压顶升、上下导向装置相配合，来实现主船体的提升和桩腿的收回等操作，桩靴与圆筒形桩腿互为一体，形成一个完整的结构，在桩腿底部一定高度、处设水密舱壁，使部分桩腿与桩靴形成水密舱，在移航过程中为主船体提供一部分浮力。

该风车安装船的设计工况包括自航工况、从漂浮状态到站立状态的安装工况、风车安装作业工况、风暴自存工况以及从站立状态到漂浮状态的回复工况等［1，2］。对于桩靴的强度评估，首先校核预压载工况，此工况为预先施加垂直荷载，使得桩靴对地压力预先达到设计预压值，然后恢复正常载荷的过程［3］，属于安装工况必不可少的一部分。其次，要校核风暴自存工况，这个工况是指极端环境条件下，风车安装船不能继续作业，但可通过调整可变载荷或放弃部分载荷以及其他措施以达到较为安全的状态。再次，校核作业工况，作业工况系指在规定的环境条件下，满载并升到预定标高进行风车安装时的状态。本文针对上面提到的这三个重要设计工况，应用SESAM/GeinE软件建立有限元模型对桩靴进行强度评估。

1 风车安装船主参数

总长：133.1m；

型宽：39.2m；

型深：9.8m；

设计吃水：5.6m；

桩腿长度：81.0m；

桩靴长×宽×高：13.6m×8.1m×3.9m。

2 主要载荷和分析方法

2.1 主要载荷

桩靴的受力由桩腿传递，因此需要计算桩腿在最不利情况下的最大受力，载荷包括风车安装船的自身重力载荷和环境载荷。其中环境载荷主要包括波浪载荷、海流载荷、风载荷、动态放大对惯性载荷的放大效应、P-Δ效应等。如图1所示。

图1 主要载荷示意侧视图

2.2 分析方法

根据挪威船级社规范［1］推荐方法，对于桩靴和下部桩腿的强度校核应满足下面三条要求：

1）海底可能存在的冲刷和不平整的海底条件导致桩靴底部受力不均匀，产生偏心弯矩。因此假设设计载荷平均分布在50%的底部面积上，以矩形桩靴为例，见图2。

偏心弯矩可用下式得到：

式中：Med为设计偏心弯矩；Fvd考虑了功能和环境倾覆载荷的沿桩腿轴向的最大设计载荷；Rn为偏心力臂，即桩靴一半投影面积的重心到图示 n-n轴的垂直距离；桩靴的投影面积A0可用下式得到：

图2 矩形桩靴偏心载荷示意

2）假设桩腿基础处的边界条件为铰支。桩靴及桩靴与桩腿连接处的强度校核应组合桩靴底部最大垂向支反力和对应的土壤对桩靴的水平作用力，同时考虑35%的下导向位置处桩腿横截面的最大计算弯矩（主要考虑海水冲刷与海底不平整情况导致的桩靴与泥土之间可能存在的弯矩作用），施加在最不利的方向上。

3）假设桩腿基础处的边界条件为固支，需要考虑下面两种情况：

（1）桩靴底部最大垂向支反力，连同对应的土壤对桩靴的水平支反力和桩靴土壤相互作用的弯矩，组合后施加在最不利方向上；

（2）土壤对桩靴的最大弯矩作用，连同对应的土壤对桩靴的垂直、水平支反力，组合后施加在最不利方向上。

2.3 计算工况

桩靴及桩靴与桩腿连接处的强度是基于挪威船级社工作应力法来校核，本文评估了预压载工况、自存工况和作业工况在不同装工况下的强度，在表1中标有“X”符号。

表1 设计和装载工况

挪威船级社对于不同装载工况的定义如表2所示。而风车安装船在不同的区域作业，海底地基土质会显著不同，桩靴入泥深度假定为两种情况：深插深与浅插深。综合设计工况、装载工况、深浅插深、桩腿基础处的边界条件等因素，将计算工况细分如表3、表4和表5所示。

表2 挪威船级社对于不同装载工况的定义

表3 预压载工况

表4 自存工况

表5 作业工况

3 结构有限元模型

3.1 有限元模型

桩靴的有限元模型主要由壳单元和梁单元组合而成，见图 3。其中，桩腿结构的外板、桩靴的外板、桩靴的锥点、水密平台、径向舱壁、所有肋板、T型材腹板和桩腿延伸桩靴内部部分的大肘板主要采用四节点壳单元，加强筋和和T型材面板采用2节点梁单元模拟，桩靴的整体网格单元尺寸为100mm×100mm，11m处水密平台及其上下部分桩腿外板网格单元尺寸为100mm×100mm，桩腿其他部分的网格单元尺寸为200mm×200mm。

图3 有限元模型及边界条件

3.2 边界条件

风车安装船在各个设计工况下，依靠桩腿桩靴入泥段在地基土中受到的约束力来支撑，不考虑桩靴穿刺和泥土倒流的影响，为了降低边界效应，取锥点以上16.5m处进行固支约束，见图3。

4 强度分析和评估结果

4.1 屈服强度

桩靴及桩靴与桩腿连接处的屈服强度评估基于工作应力法，通过比较结构构件在不同装载工况下计算的最大Von Mises应力与材料的屈服极限与最大许用利用系数的乘积，即：

式中，σeqv为计算得到的Von Mises应力；fy为材料的屈服极限；ηp为最大许用利用系数。可由下式计算得到：

式中，η0为基本利用系数，见表6；β取决于结构类型、失效模式和细长比的系数，在屈服强度校核时β取1。

该船桩腿桩靴结构采用了五种材料，不考虑应力集中的情况下，许用应力标准见表7。

表6 基本利用系数

表7 材料级别和许用应力标准（Mpa）

4.2 计算结果

对表4和表5中装载工况a的计算工况分析结果进行搜索后得到各个位置处最大的Von Mises应力结果，请见图4（a）。

图4 装载工况a和b的Von Mises应力结果

从图4（a）的结果可以看出Von Mises应力都低于NV36材料的许用应力，满足规范的屈服强度标准，其他更高屈服强度的钢材亦满足要求。

搜索表4、表5和表6中所有装载工况b的计算工况的分析结果，见图4（b），结果图4所示大部分结构满足规范的屈服强度标准。只有桩靴与桩腿连接处局部由于在偏心情况下受到较大的偏心弯矩，导致局部应力集中，依据挪威船级社海工规范［4］，需要进一步用局部详细应力法评估，首先按照表8选择ηpeak。

表8 细网格分析许用峰值利用系数（ηpeak）

桩靴与桩腿连接处网格为100mm×100mm，所以ηpeak按照表8取1.48，得到相应材料的许用峰值应力，见表9。

表9 最大许用峰值应力（Mpa）

结果如图4和图5所示，最大Von Mises应力均小于许用峰值应力，因此桩靴结构强度满足的规范要求。

5 结论

本文基于挪威船级社规范工作应力法的要求，结合典型设计工况下的装载工况、入泥深度、桩腿基础边界条件等因素，分别确定了预压载、风暴自存、作业等设计条件下需要进行校核的相关危险工况，计算得到了各工况下的Von Mises应力，完成了桩靴及桩靴与桩腿连接处的强度评估，结果满足挪威船级社的要求，得到如下结论：

1）从分析结果来看，桩靴与桩腿连接处由于较大的偏心弯矩产生应力集中，采用四周对称性更好的桩靴设计能够减小偏心弯矩的影响，降低连接处的应力，需要在设计初期重点考虑；

2）对于长方形桩靴结构设计，桩腿距离较近的方向是环境载荷引起的桩靴垂向受力最大的方向，考虑偏心影响，结构设计时桩靴的短边更适合与桩腿距离更近的方向保持一致。

［1］ DNV. OS-C201， Structural design of offshore units （WSD method）［S］. DNV， October 2014.

［2］ ABS. Mobile offshore drilling units， Part 3 Hull construction and equipment［S］. ABS， 2012.

［3］ 孙东昌， 潘斌. 海洋自升式移动平台设计与研究［M］.上海： 上海交通大学出版社， 2007.

［4］ DNV. OS-C102. Structural design of offshore ships［S］. DNV， October 2011.

Strength Assessment for Spud Can of Jack-up WTIV

Li Lian-liang， Liu Ren-chang， Zhang Li-jun， Wang Yong-gang， He Jia-qi， Wang Yong
（COSCO Shipyard Group Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116600 China）

The paper briefly introduces the function and feature of wind turbine installation vessel. The typical design conditions of survival， operation and preload are selected， combining with boundary conditions of loading condition，penetration depth and leg foundation. Referring to the recommended method of Det Norske Veritas rules， the SESAM software is used to establish the finite element model for the strength assessment of the spud can structure.

wind turbine installation vessel （WTIV）； survival； operation； preload； spud can； strength assessment

U674.38

A

10.14141/j.31-1981.2016.01.011

工信部高技术船舶科研项目（工信部联装2011536号）。

李连亮（1982—），男，工程师，研究方向：船舶与海洋工程结构。