桁架平台的连续与间断对船体总纵强度的影响

邵 宇，陆 萍，宋子江

（1.上海佳豪船海工程研究设计有限公司，上海 201612；2.江苏航运职业技术学院船舶与海洋工程学院，江苏南通 226010）

0 引 言

为响应国家最新的能源政策，达到“2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和”的目标，近几年国内开始大力优化产业结构和能源结构。中国作为一个拥有广袤海岸线的国家，大力发展海上风电项目是能源结构和产业调整的主要方向之一。但是，大规模发展海上风电面临的最大问题是严重缺乏风电安装作业所需的载体。鉴于新建风电安装船或平台的周期较长，无法迅速投入海上风电项目市场，为旧的驳船或半潜驳船加装桁架平台，将其改装为可运载风电构件并可通过坐底开展风电安装作业的载体，成为一种可行的方法。

目前在旧船上安装桁架平台主要有2 种形式：一种是桁架平台前后整体性连续，完全参与全船的总纵强度；另一种是桁架平台选择性间断，分为几个独立的平台安装在主船体上，尽量避免桁架平台参与全船总纵强度。鉴于甲板上的桁架平台结构无法像常规船体一样通过对船体梁剖面的特性进行分析判断全船总纵强度对其产生的影响，也无法通过在舱段模型两端施加相应位置弯矩判断全船总纵强度对其产生的影响，考虑进行全船有限元计算，这是目前较为接近实际的判断方法。

本文在相同载荷条件下将在船上加装的桁架平台分为整体连续，以及均匀间断为3 个、5 个和9 个独立平台等4 种形式，并进行全船有限元计算，对比这4 种桁架平台结构设置形式对船体总纵强度的影响。

1 计算模型主尺度及构件布置

计算模型主尺度：船长L=140.00 m；船宽B=36.58 m；型深D=7.62 m；吃水d=3.8 m。

全船为纵骨架式结构，船体纵向舱壁间距为9. 00 m，横向强构件间距为2. 50 m，横向舱壁间距为15.00 m。纵骨/扶强材间距为0.75 m。桁架平台纵向桁架间距为4.50 m，横向桁架间距为2.50 m。由于桁架平台需进行吊装作业和运载风电设备，会受到较大的垂向载荷并向船体传递，因此在设计桁架平台时，其与主船体的连接处均需为船体的横舱壁或强框架。

2 计算模型单元类型/边界条件及载荷

2.1 有限元模型

三维有限元模型包括主船体各主要构件，如甲板结构、舱壁结构，以及纵向、横向和垂向的桁材/桁架结构等。计算模型中的甲板板、舱壁板和桁材腹板等均模拟为4 节点或3 节点板单元；普通横梁、纵骨、桁材面板和桁架等均模拟为2 节点梁单元；有限元单元网格大小取约750 mm。

2.2 计算载荷和载荷施加

在进行全船有限元计算时，计算模型中施加的载荷如下：

1）空船重量，将模型中构件的自重作为载荷施加；

2）舱内压载和甲板货物的质量，通过质量点的形式模拟；

3）舷外静水压力，按舷外吃水以面压力的形式施加在船体外部湿表面上；

4）波浪载荷，将水动力软件预报的波浪载荷以面压力的形式施加在船体外部湿表面上；

5）惯性载荷，通过调整惯性加速度使整船质量模型与船舶静水浮态相匹配。

2.3 模型边界条件

为消除刚体位移，在艉部船底平板龙骨中纵处选取1 个节点约束横向线位移，即δy=0；在艏部平板龙骨中纵处选取1 个节点约束纵向、横向和垂向线位移，即δx=δy=δz=0；在艉封板水平桁位置选取与中纵剖面距离相等的左右各1 个节点约束垂向位移，即δz=0。

3 有限元计算结果及分析

通过全船有限元计算，模拟桁架平台在整体连续，以及分别均匀间断为3 个、5 个和9 个独立平台形式时，主要构件上总纵应力的分布情况（见表1、图1、图2、表2、图3 ～图5）和船体变形情况（见表3、图6 和图7），并分析它们之间的差异。

图1 桁架平台连续、中拱状态下的船体主甲板相当应力分布云图

图2 设置3个独立桁架平台、中拱状态下的船体主甲板相当应力分布云图

图3 桁架平台连续、中拱状态下的桁架结构合成应力分布云图

图4 设置3个独立桁架平台、中拱状态下的桁架结构合成应力分布云图

图5 设置5个独立桁架平台、中拱状态下的桁架结构合成应力分布云图

图6 桁架平台连续、中拱状态下的船体变形云图

图7 设置3个独立桁架平台、中拱状态下的船体中拱变形云图

表2 各种连接形式下桁架结构的弯曲应力对比 单位：MPa

表1 各种连接形式下主要结构构件的应力对比 单位：MPa

在此，选取距离船中0.6L 范围内的典型结构进行比较，选取的位置分别为船底板、船底纵向骨架结构、船体纵向舱壁、船体主甲板、船体主甲板纵向骨架结构、桁架平台甲板、桁架平台甲板纵向骨架结构和桁架结构。

由表1 和表2 可知，在全船总纵强度有限元计算中，对于船体主要纵向结构，板单元的相当应力数值与纵向的应力数值相似，梁单元的合成应力数值与轴向的应力数值相似，说明计算结果能合理地反映船体总纵强度对主要结构的影响。

1）连续性桁架平台的设置可有效减小船体梁的总纵应力。

由表1 可知，当桁架平台整体连续时，船体主要纵向构件的相当应力和纵向应力均远小于桁架平台间断时的应力计算结果，主船体船底板和主甲板的最大相当应力甚至能比桁架平台间断时减小75% ～80%。由此可见，一个整体连续的桁架平台完整地参与船体总纵强度之后，可有效改善船体本身的总纵强度。

2）少量独立桁架平台的设置并不能改善桁架结构的强度。

当将桁架平台分为3 个独立平台时，尽管初衷是避免桁架平台参与船体总纵强度，但因单个平台的长度较长，各独立平台还是会很大程度地参与船体总纵强度，尤其是距离船中0.4L 长度范围内的独立平台受船体总纵应力的影响最大。同时，纵向应力主要通过纵向桁架结构传递，并在平台边缘终止。独立平台没有足够长的纵向连续结构分担轴向（纵向）应力。从表2 中可看出，将桁架平台分为3 独立平台之后，纵向桁架结构的最大合成应力和轴向应力甚至大于整体连续性平台完整参与船体总纵强度时的相关应力，增大约27%。但是，当将桁架平台分为更多独立平台之后，船体总纵应力对各独立平台的影响会越来越小，纵向桁架纵向应力随独立平台数量的增加开始逐步减小，小于整体连续性平台完整参与船体总纵强度时的应力。

由表3 可知，连续型桁架平台能改善船体挠度。当连续型桁架平台完全参与船体总纵强度时，船体梁中拱和中垂的变形值仅为将桁架平台分为3 个独立平台布置时船体梁变形值的20%。随着将桁架平台分为更多独立平台，船体梁变形最大值不断增大。

表3 各种连接形式下甲板底板和桁架结构最大挠度对比 单位：mm

4 结 语

鉴于实际工程中将桁架平台分为过多的独立平台布置并不符合风电设备的安装环境要求，且当独立平台过多时，相互间缺乏连接会对桁架平台本身的稳定性有很大的削弱影响，因此目前市场上的船体改装平台形式基本上仍以整体连续平台形式和3 个独立平台形式为主。在这2 种形式中，整体连续平台布置对船体和平台本身的总纵强度有更好的加强作用，更适合此类船型进行风电安装作业。