小型三体风电维护船结构设计及强度分析

2016-05-06谢云平孔祥明袁双双

江苏船舶 2016年1期

关键词：有限元分析结构设计

谢云平，孔祥明，袁双双

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

小型三体风电维护船结构设计及强度分析

谢云平，孔祥明，袁双双

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

摘要：根据某小型海上高速三体风电维护船总布置要求，进行结构设计，并在不同工况组合下进行有限元计算分析。根据有限元计算结果分析其应力分布特点，特别是对连接桥高应力集中区域，制定2种不同结构调整方案，通过对2种方案强度分析比较，确定满足海上风电场使用要求的三体船结构方案。

关键词：三体船；风电维护；结构设计；有限元分析

0引言

2015年后，中国海上风电将进入规模化发展阶段，达到国际先进技术水平[1]。但就海上风电场维护船而言，目前国内并没有专门的维护船接送维护管理人员出入。相比海上风电发展比较先进的欧美等发达国家，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。

与单体船和双体船相比，三体船具有优良的耐波性和快速性，而且适航性好[2]。因此，将三体船设计成风电维护船能够很好地完成在风电场大风浪下维护作业的任务，也是解决目前维护船在风浪情况下不能出航进行维护工作这一难题的较好办法。三体船是由3个船体组成，其2个侧体只看成是附体的船。不同于单体船，三体船的型宽较大，长宽比较小，故一般而言总纵强度易于保证；三体船在横浪时，由于型宽很大，因此会遭受很大的横向载荷[3]；遭遇斜浪时，侧体会发生扭转[4]。侧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是结构设计的技术关键[5]。

三体船本身结构和载荷具有复杂多样性，其结构设计较常规单体船和双体船要复杂得多，强度分析也与常规船型具有明显不同特点。我国在三体船的设计研究工作和实际应用方面起步较晚，并无相应的规范或指南供参考借鉴。本文通过对三体船横向强度、扭转强度及弯扭组合强度的分析，初步了解该船型的应力分布特点，为后续该类船舶的设计提供参考。

1船舶概况及结构方案初步设计

1.1概况

该三体船满载排水量约为44 t，主船体设计水线长20 m，侧体设计水线长7.75 m，主船体型宽4 m，侧体型宽1.4 m，主船体型深2.5 m，侧体型深2.3 m，设计吃水1.2 m。本船搭载10名风电场维护人员及相关维护设备，采用尾机型。主船体沿船长方向依次划分为：艉尖舱(船艉～Fr3肋位)、清水舱(Fr3肋位～ Fr5肋位)、机舱(Fr5～ Fr 21肋位)、燃油舱(Fr21～ Fr24肋位)、艏部压载舱(Fr 24～ Fr32肋位)、艏尖舱(Fr32～船艏)。船体材料为船用A级钢，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3，屈服强度σS=235 MPa，材料密度ρ=7.85 t/m3。

1.2结构方案初步设计

该船主船体及侧体均采用横骨架式结构，且为单层底结构，每个肋位设置船底实肋板；舷侧强肋骨间距和甲板强横梁间距均为2个肋位，肋距为500 mm；主船体及侧体的中纵剖面内设置中内龙骨；主甲板设置3道甲板纵桁，连接桥甲板设置1道甲板纵桁；连接桥首端到主船体船首设有一平板为过渡甲板，过渡甲板设置3道甲板纵桁。其甲板结构图和典型横剖面图如图1所示。

2载荷及工况

2.1载荷

2.1.1总横弯矩

由于目前没有针对小型三体船横向弯矩计算的公式或规范及指导性文件，因此本文参考《海上高速船入级与建造规范(2012)》，近似计算三体船连接桥所受到的总横弯矩。具体计算见下式：

MBX=C1Δacgb

式中：MBX为总横弯矩，kN·m；C1为营运航区系数，C1=0.135；Δ为排水量，实取三体船侧体排水量，Δ=6.6 t；acg为重心处垂向加速度，acg=9.8 m/s2；b为侧体中心线间距，b=8.1 m。

经计算，MBX=70.728 kN·m

图1　主甲板及横剖面图

当发生横向中拱弯曲时，弯矩取正值；发生横向中垂弯曲时，弯矩取负值。载荷施加时，把横向弯矩等效为横向对开力Fy，然后换算为等效集中力，主要施加于整个侧体水线以下强框架处，分为向外和向内2个独立工况分别计算。

2.1.2扭矩

三体船的扭转载荷和横向弯矩载荷具有同等重要的地位，特别是在连接桥强度进行校核时。在斜浪中航行时，三体船会发生严重的扭转，而此时扭转又可以分为横向扭转和纵向扭转2种情况，其中横向扭矩和横向弯矩是连接桥结构设计载荷的重要依据。由于纵向扭矩主要作用于船体纵向构件上，特别是主船体，在大多数情况下，纵向扭矩载荷重要性不大，因为船体是一个封闭的框架，因此纵向扭矩不予考虑。横向扭矩计算也是参照中国船级社《海上高速船入级与建造规范(2012)》，计算公式如下：

Mty=C3ΔacgL

式中：Mty为扭矩，kN·m；C3为营运航区系数，C3=0.075；L为侧体设计水线长，L=7.75 m。

经计算，Mty=37.595 kN·m

连接桥所受的横向扭矩可用侧体半船长上反对称的均布载荷等效，再把均布载荷等效为集中力，施加于侧体纵向主要构件，如舷侧、甲板纵桁、船底纵桁等。

2.2工况组合及边界条件

在三体船结构强度分析中，不仅要考虑三体船总横弯曲、扭转，还要考虑弯扭组合工况。通过船体结构在这些工况载荷作用下的相关响应判断是否满足强度标准。表1给出了三体船的计算工况。

表1　载荷组合工况

边界条件取主船体中纵剖面，对其做刚性固定处理。

3结构强度分析

3.1模型

选择笛卡尔直角坐标系作为全船坐标系。坐标原点取在主船体Fr0肋位的基线处，船长方向为X轴，船尾到船首方向为正；船宽方向为Y轴，右舷到左舷为正；型深方向为Z轴，向上为正。

本船有限元模型取主甲板以下全船结构，建模采用空间板梁单元模拟。外板、甲板板、连接桥板、舱壁和主要强构件腹板等采用板单元模拟，普通骨材用梁单元模拟。全船有限元模型如图2所示。

图2　整船有限元模型

3.2计算结果及分析

按照中国船级社《海上高速船入级与建造规范(2012)》，总强度计算应力应不大于以下要求的许用应力：板单元许用等效应力[σ]=164.5 MPa，梁单元许用正应力[σ]=157.5 MPa，板单元剪切许用应力[τ]=89.3 MPa。危险工况下的应力云图如图3～图6所示，各工况下最大应力见表2。

工况LC1、LC2，即横浪状态下，由于三体风电维护船型宽较大，侧体及连接桥会产生明显的横向中拱和中垂，并且在连接桥首尾端的强横梁处出现应力集中现象，最大应力出现在连接桥Fr11肋位强横梁处；在工况LC3～LC6，即斜浪工况下，三体船在斜浪航行时会发生横向弯曲和扭转，即同时受到总横弯矩和扭矩的作用，连接桥首尾端有明显的应力集中现象，最大应力均出现在连接桥尾端强横梁处，且不满足强度标准。在工况LC7，即单独扭转工况下，体现了侧体产生扭矩作用效果，此时应力最大值也出现在连接桥尾端强横梁处。

图3　工况3全船应力云图(Mises应力)

图4　工况4全船应力云图(Mises应力)

图5　工况5全船应力云图(Mises应力)

从表2可以看出，在工况LC1、LC2和LC7下，三体风电维护船各船体构件结构强度均满足设计要求。但是，在工况LC3～LC6下，连接桥与主侧体连接处发生应力集中，特别是在连接桥首尾端，且应力值大于许用应力，表明横浪加扭转组合工况是三体船最危险工况。

图6　工况6全船应力云图(Mises应力)

工况相当应力/MPa剪切应力/MPa最大相当应力位置是否满足强度要求LC111860.7Fr11甲板强横梁面板处满足LC211860.7Fr11甲板强横梁面板处满足LC315982.3连接桥尾端强横梁面板处满足LC416082.5连接桥尾端强横梁面板处满足LC516585.5连接桥尾端强横梁面板处不满足LC616585.8连接桥尾端强横梁面板处不满足LC713269连接桥尾端强横梁面板处满足

4结构调整与分析

4.1结构调整

通过上述各工况下的有限元计算分析可知，在工况LC5和LC6这2种工况下，结构强度不满足要求，主要是由于连接桥所受的总横弯矩引起的。

本文针对连接桥结构做出相应的结构方案调整如下。

方案1：连接桥每肋位设置强横梁，结构尺寸保持不变，全船结构重量18.72 t。

方案2：通过加大强横梁结构尺寸从而提高连接桥强度。连接桥强横梁加大为T4 mm×60 mm/6 mm×126 mm，全船结构重量18.63 t。

4.2结果比较

根据结构调整方案，分别针对上述应力较大的LC5、LC6工况计算，计算结果和应力云图分别见表3和图7。从计算结果可以看出，2种方案均减小了连接桥的应力水平，满足强度要求；虽然方案1的应力水平优于方案2，但两者应力水平相差不大。对于小型高速船而言，控制全船结构钢料重量显得尤为重要。两者强度相差不大时，建议采用方案2的结构形式用于连接桥结构加强。