海上高速双体风电维护船结构方案及其强度分析

谢云平，魏 利，糜成杰，张裕堂

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003； 2.南京市长江河道管理处，江苏 南京 210011)

0 引 言

风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一[1]。对于海上风电场，尤其到达深水地区的机组进行维护非常不便，运行风险也非常大[2]。海上风电发展比较先进的欧美等国家，一般使用小型单体或双体的船舶接送人员出入以及进行日常的风电机组维护工作。

双体船是指具有2个相互平行的船体(片体)，其上部用强力构架(连接桥)连成一个整体的船。不同于单体船，双体船的型宽较大，长宽比较小，故一般而言总纵强度易于保证；当双体船遭遇横浪时，双体船遭受非常大的横向载荷[3]；双体船遭遇斜浪时，片体将承受波浪扭矩[4]，双体船将出现扭转。因此片体和连接桥承受巨大的横向弯矩及扭矩，其横向强度、扭转强度和弯扭组合强度[5]是结构设计的技术关键。

根据文献[6]，中速双体船结构多采用全横骨架式；而文献[8]则建议高速船采用混合骨架(片体纵骨架式、 连接桥甲板横骨架式)。为探讨合理的双体船结构方案，本文在针对某维护船进行2种不同结构架式的结构方案，在横向强度、扭转强度及弯扭组合强度分析的基础上，进一步对结构方案进行调整，以寻求结构重量较轻且强度有保证的结构方案，以满足海上风电维护高速、安全的性能和使用要求。

1 结构方案构思

本双体维护船由单层连接桥甲板将2个片体联接而成，片体设有5道横舱壁。根据文献[7]，针对片体的结构方案进行设计。图1是2个不同结构方案的主甲板平面和典型横剖面。

图1 主甲板及横剖面Fig.1 Plan of deck and section

2 结构强度分析

2.1 模型及边界条件

1)模型

考虑到本船上层建筑长度、宽度较小，处于安全考虑，模型取主甲板以下全船结构，建模采用空间板梁单元模拟。片体外板、甲板板、连接桥板、舱壁和主要强构件腹板等采用二维3，4节点板单元模拟，普通骨材用梁单元模拟。本船材料为普通船用钢，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，屈服强度σs=235 MPa，材料密度ρ=7.85×103kg/m3。整船有限元模型如图2所示。

2)边界条件

参照文献[8]，为不影响船体各部分相对变形，使用6个位移分量约束限制全船模型的空间刚体运动。在纵中剖面上取首尾各一点A和B，中部舷侧取一点C。约束A点的x，y，z三个位移分量，约束B点的y，z位移分量和约束C点的在z向位移分量(见图3)。

图2 整船有限元模型Fig.2 Finite element model for the whole ship

图3 边界条件Fig.3 The boundary condition

2.2 载荷及工况

1)载荷

一般而言，双体船由于其长宽比较小，外载荷主要是在横浪状态下的横向载荷和斜浪状态下的扭转载荷，其计算和施加按文献[8]进行。

总纵弯矩MBY：双体船在迎浪航行时，船体受沿船长方向不均匀分布的重力和浮力而产生弯曲，在船体各横剖面受到纵向弯矩和剪力。船体总纵弯矩沿船长按正弦分布，通过施加沿船长方向分布的垂向力实现。

总横弯矩：双体船在横浪时，船体受沿船宽方向不均匀分布的重力和浮力而产生弯曲，在船体纵剖面特别是连接桥部位受到横向弯矩和剪力。计算时总横弯矩等效为横向对开力Fy，分向外和向内2个独立工况计算。

扭转Mty：双体船在斜浪时，片体因不同步的纵摇引起对横向的扭矩。将扭矩等效为沿半船长反对称分布的均布载荷，将均布载荷p等效为集中力，施加于纵向主要构件上。

2)工况

双体船结构强度分析中，不仅要考虑船的横向弯曲、扭转，还要充分考虑到弯扭组合情况。按文献[8]给出的工况组合，加上扭矩Mty单独作用，对载荷工况进行计算，如表1所示。

表1 双体船计算工况

表2 各工况下最大计算应力

2.3 结果分析

根据文献[8]可知，板单元许用等效应力为164.5 MPa，梁单元许用正应力为157.5 MPa，板单元许用剪切应力为89.3 MPa。

图4 LC7工况下最大应力位置Fig.4 The position of maximum stress under LC7

通过以上11种工况下的有限元分析，最大应力出现在与片体横舱壁相对应的连接桥强横梁处(见图4)，且2种结构方案应力相差不大。具体计算结果如表2所示。

此外，根据结构模型，全横骨架式方案结构重量较混合骨架形式轻。

3结构调整与分析

3.1 结构调整

通过对上述有限元计算结果分析，全横骨架式结构和混合骨架式结构应力在部分工况下均不满足强度要求，考虑全横骨架式方案结构重量较轻，故针对全横骨架式方案进行结构调整。

方案1 将连接桥甲板结构交替设置的强横梁改为每档设置，结构尺寸不变；

方案2 将对应于片体横舱壁的连接桥甲板强横梁尺寸增大，其他结构尺寸不变。

3.2 结构比较

根据调整方案分别修改模型并针对以上不满足工况作重点计算(见表3和图5)。从计算结果看出，双体船在弯曲扭转组合工况7与工况8下受力最大，但方案2受力情况要优于方案1，且方案2的结构重量较方案一轻(约轻400 kg)。

表3 各工况下最大计算应力

图5 LC7全船应力云图Fig.5 The stress contours of the hull under LC7

3.3 结构方案确定

在对连接桥结构进行调整时，方案2在应力水平和结构重量上均优于方案1，故采用方案2的方式进行加强。

4 结 语

通过2种结构方案和结构调整方案的有限元计算结果，得出以下结论：

1)全船有限元计算分析表明，全横骨架式结构强度优于混合骨架式结构，且全横骨架式结构重量较轻。

2)通过调整后的结构方案分析比较，调整后的结构方案均满足强度要求，采用方案2的方式能够有效的降低与片体横舱壁相对应连接桥强横梁的应力，且方案2的结构重量较轻，该结构调整方案可行。

3)针对双体船承受较大的横向弯曲及横向扭转弯曲的特点，在进行双体船结构设计时可采用全横骨架式结构，采用加强对应于片体横舱壁的连接桥甲板强横梁的方式来保证其结构强度满足要求。

[1] 郭越,王占坤.中欧海上风电产业发展比较[J].中外能源,2011,16(3):26-30.

GUO Yue,WANG Zhan-kun.A comparison between european and chinese offshore wnd power industrise[J].Sino-Global Energy,2011,16(3):26-30.

[2] 王君,史文义.海上风电场运行与维护成本探讨[J].内蒙古石油化工,2011,37(5).

WANG Jun,SHI Wen-yi.Discussion on offshore wind farms operating and maintenance costs[J].Inner Mongolia Petrochemical Industry,2011,37(5).

[3] 严仁军,操安喜,吴卫国,等.双体抛石工程船结构有限元分析[J].武汉理工大学学报,2003,27(3):362-329.

YAN Ren-jun,CAO An-xi,WU Wei-guo,et al. A finite element strength analysis of the twin-hull engineering ship for casting stones[J].Journal of Wuhan University of Technology,2003,27(3):362-329.

[4] 杨平,黄乐华.双体船结构的直接计算分析[J].船海工程,2006(5):4-7.

YANG Ping,HUANG Le-hua.Direct calculation for a catamaran′s structure[J].Ship and Ocean Engineering,2006(5):4-7.

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

GUAN Yi-feng,HUANG Huan-qing,GU Jia-yang,et al.FEA calculation for strength of aluminum high-speed passenger catamaran[J].Ship Engineering,2011(6):14-17.

[6] 刘应群,郑荣军.我国双体船结构型式及结构特征参数分析[J].武汉水运工程学院学报,1992(3):300-308.

LIU Ying-qun,ZHENG Rong-jun.Analysis of structural patterns and characteristic paramenters of catamarans in china[J].Journal of Wuhan Uiversity of Water Transportation Engineering,1992(3):300-308.

[7] 中国船级社.沿海小船入级与建造规范[S].北京：人民交通出版社，2005.

Chinese Classification Society.Rules for construction and classification of coastal small craft[S]. Beijing：People′s Communication Press,2005.

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

Chinese Classification Society.Rules for construction and classification of sea-going high speed craft[S].Beijing：People′s Communication Press,2012.