于雯,李曙生,袁宇波

(1.泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300；2.南通中远船务有限公司 ，江苏 南通 226000)



新型深海风机运输安装一体化半潜式平台整体强度分析和校核

于雯1,李曙生1,袁宇波2

(1.泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300；2.南通中远船务有限公司 ，江苏 南通 226000)

为了满足海上风力开发的深海化、专业化、大型化的需求，解决因海上气候恶劣，有效工作时间短而导致的工作效率低的问题，设计一种满足风车整体运输、安装一体化的新型半潜式风车安装平台。根据风车整体运输、安装一体化的设计指标，提出新型半潜式风力发电安装平台船型方案设计，确定平台的总布置、主尺度和结构形式；采用sesam软件的设计波进行平台整体强度分析，在满足结构强度以及保证平台性能的基础上进行方案优化，设计出满足结构强度以及性能要求的最优船型。

风车安装；半潜式平台；整体强度评估；运输安装一体化

风电机组的安装是海上风电场建设的关键技术之一。现有的近海风力发电安装作业船，都是针对近海风机安装，不能满足风机大型化、深海化的发展趋势[1-3]。深海风电安装平台要适合在海况恶劣的深海工作，具备自航、运输、起重、避风等复合功能。为满足以上要求，结合半潜式平台优良的耐波性能[4-5]，设计平台采用半潜式结构，采用流线型浮筒减小航行阻力，动力方面采用喷水推进方式，更能适应全球未来海上风电大型化和深海化的发展趋势。采用有限元方法对整船结构强度进行分析和研究[6-8]。在提出一种新型半潜式风力发电安装平台船型方案设计的基础上，根据平台的主尺度、总布置特点，采用DNV SESAM系列软件根据其受力情况建立平台有限元模型，根据计算仿真结果科学地设计船体结构，对高应力区域做适当加强，进而对船体结构进行优化。

1 深海半潜式风电安装平台设计方法

通过对国内外风电市场的发展趋势研究，设计针对深海漂浮式基础风机、运输安装功能以及作业海域环境，设计船型方案，确定主尺度，采用DNV Sesam软件进行三维建模和整体结构分析，得出设计方案。

对于船体整体强度计算一般采用设计波方法[9]，各个船级社对不同类型船体设计波的计算方法都有明确的规定。其中难点是如何计算得到主要载荷控制参数所对应的等效设计波形式下的水动力载荷，其具体思路如下[10-11]。

1)将依据规范计算得到的主要载荷控制参数的规范值作为设计极值。例如迎浪状态下将垂向波浪弯矩作为设计极值。

2)通过基于势流理论的三维波浪载荷程序计算控制参数的传递函数，确定等效设计波的频率。

3)等效设计波的波幅等于1)中设计极值除以2)中传递函数最大值。

4)等效设计波的相位应取在使主要载荷控制参数在余弦波作用下达到最大时相位或位置。

确定设计波的相关参数，进而可以得到用于全船有限元模型加载的水动压力。

2 深海半潜式平台设计关键要素

2.1 结构形式特点

本船型采用半潜式平台设计，底部浮筒艏艉两端采用流线型设计，航行吃水位于浮筒处，有利于减小航行阻力，降低能耗，提高航速，缩短作业场至码头时间；浮筒与上甲板之间设有4个立柱，海上作业时，半潜平台下潜至立柱吃水，减小水线面，提高平台耐波性，有利于较为恶劣的海况作业。浮筒上方的桁架式结构是风机的运输平台，将运输平台设于浮筒上方，可降低风机运输的高度及重心，提高平台航行时的安全性，同时桁架式结构能减小恶劣海况下的抨击载荷；立柱上方设有上甲板结构，上甲板艉部和中间设有大槽口，避免上甲板与装载风机机组之间的干涉。相比普通的半潜平台由于尾部中间的大槽口的存在，可减小平台的横向和抗扭强度，损失的强度全部由桁架式结构来补强，因此桁架式结构的整体强度以及桁架式结构和平台的连接部位的强度对于平台的整体安全尤为重要。总布置图见图1。

图1 总布置图

风机的运输吊装方案由码头装载航行、定位下潜、吊机整体安装但部分组成。平台主要作业流程为：在码头转载风机设备整机，运送风电设备至海上风电场塔基处，下潜至操作吃水，运用平台全回转式起重机整体吊运风电设备，进行安装。

2.2 初步主尺度设计

通过研究任务设计指标，对总体布置要求、甲板装载、性能验证和方案的选择分析，得出初步主尺度数据如下：浮筒长104.5 m、宽13.65 m、高12 m，立柱长13 m、宽13.65 m、高19.5 m，上甲板长度83.5 m、宽65.0 m、高82.0 m、航行吃水10.5 m，自存吃水15.5 m，工作吃水17.5～20.0 m；可变甲板载荷3 000 t；最大排水量36 777 t。

3 平台有限元模型

按该船的型线、板厚、各构件设计尺寸采用DNV SESAM GENIE软件建立全船三维有限元计算模型。模型中主要采用2种单元。

板壳(shell)单元。用来模拟平台中的甲板、船底板、舷侧外板、纵横舱壁等板壳结构和船底龙骨、实肋板、甲板纵桁、强横梁、强肋骨等腹板高度比较大的强构件。

梁(beam)单元。用来模拟桁架式结构，腹板高度小于300 mm的纵骨、横舱壁加强筋、支柱等杆件结构，纵桁、实肋板、强横梁、强肋骨、强扶强材等强构件的面板和肘板的折边等。

吊机基座重量采用质量点来模拟，吊臂采用简化梁模型来模拟，锚机、主机基座等大型设备，采用Genie软件的设备来模拟。

4 整体结构强度分析

取波浪周期范围3～30s,步长取1 s，共选取28个频率，计算传递函数。载荷控制参数的选取参考参照ABS MODU RULE[12]，一共选取了7个载荷控制参数，纵向弯矩，包括纵向切力，纵向转矩，横向分离力，甲板包3个方向加速度。

选取自航、自存、作业3种工况，总重量包括空船重量、货物重量以及舱室重量，具体工况参数见表1。

表1 各个工况参数

4.2 计算结果分析

根据ABS MODU规范，对于合成工况，取1.1的安全系数，对于屈服强度355 MPa的高强钢，许用应力为319 MPa。采用设计波法分析3个工况下平台应力分布。根据计算结果得知平台应力分布比较均匀，平台整体屈服强度基本符合规范要求；但在局部桁架与立柱、浮筒连接处应力超过许用应力。这是由于在进行整体有限元分析时，采用较大的网格进行整体有限元建模，在局部尤其是连接复杂结构区域网格形状很难规整，形状差的网格质量会导致偏大的应力计算结果；而且在这些连接区域，肘板在整体模型中没有建模，桁架式结构采用梁模型来建模，在梁节点和板单元连接的地方不可避免会出现应力集中，因此应对这些局部结构进行加强并作进一步分析，列举自存工况整体应力分布见图2，各工况最大应力结果见表2。

图2 最大合成应力_自存工况

表2 最大合成应力

4.3 结构加强措施和效果

对于整体有限元中应力较大的部分进行局部有限元分析，细化网格，对局部结构进行详细建模，采用增加肘板，增加板厚，加大加强筋尺寸来减小应力，使应力分布更均匀，满足规范要求。

分析桁架式结构和浮筒以及立柱的连接处应力比较大的原因主要是由于桁架式甲板既要承受风机的载荷，又要起到连接浮筒、立柱的作用，是平台整体强度的承力结构。最危险的工况发生在斜浪工况，此时平台会受到比较大的波浪扭转弯矩。

在局部分析中，为了便于反映局部区域实际应力分布，采用板单元建立管结构模型，增加肘板结构来减小局部应力集中；同时为了使结构应力能更好地传递到舱壁上，桁架管件插入立柱舱壁一定深度；对于轴向力和弯矩比较大的横撑，横撑插入甲板和舱壁相连，使得横撑的应力能够有效传递到船体的甲板和舱壁上，和横撑连接的甲板和舱壁板采用加大板厚方式，减小局部应力集中。

立柱连接区域结构见图3，浮筒连接处结构见图4。

图3 立柱连接区域结构板厚

图4 浮筒连接区域结构板厚

结构加强后，自航、作业、自存工况的桁架式结构和船体的连接处局部应力最大应力见表3，其中自存工况的肘板的边缘和趾端某些单元的应力超过许用应力，考虑到不超过许用应力的10%，结构周围其他单元应力没有超过许用，应力可以重新分布，因此各个工况下的局部应力均能满足规范要求。这些关键节点的焊接属于特殊区域，疲劳敏感区域的焊接必须采用全熔焊，检测等级采用I类等级。

表3 加强后局部最大合成应力

5 结论

1)设计的新型半潜式平台从船型、主尺度和总布置设计方面能适合深海大型化漂浮式基础的海上风机运输安装任务，相比较的自升式桩腿固定型风电安装船、自航自升风车安装船等海上风电安装设备，更能适应全球未来海上风电大型化和深海化的发展趋势，实现风电机组运输安装一体化作业。

2)新型深海风机运输安装一体化半潜式平台整体强度分析中，不同工况下总体应力分布比较均匀，局部高应力区出现在桁架式甲板和浮筒立柱连接处，通过采用厚板、肘板过渡、连接过渡等方式进行局部加强，通过局部应力校核验证了加强后应力满足规范要求，应力分布合理。

3)半潜式风车安装平台总体布置方案初步满足设计思想，整体强度满足各项性能指标和要求，可为方案下一步论证提供基础。后续工作应考虑针对全球海况的特点设计平台，进行关键节点疲劳分析，稳性及管节点规范校核等工作，从而使平台的总体方案具有更广泛的适用性。

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Analysis of Whole Strength of a New Type of Deep Water Semi-submersible Platform for Transport and Installation of Windmills

YU Wen1, LI Shu-sheng1, YUAN Yu-bo2

(1.Taizhou Polytechnic College, Taizhou Jiangsu 225300, China;2.COSCO Shipping Co., Ltd., Nantong Jiangsu 226000, China)

In order to meet the needs of the development of specialization, large-scaled of wind power in the deep sea, and solve the problem of the working efficiency due to the short working time and the harsh marine environment, a new type of semi-submersible windmill installation platform was designed for integrated transport and installation of the windmill. The general layout, main dimensions and structural characteristics of the platform were determined. The design wave method was used to analyze the overall strength of the platform. Under the premise of satisfying the structural strength and ensuring the performance of the platform, the optimization of the scheme was put forward to design the optimal ship type.

windmill installation; semi-submersible platform; strength evaluation; transportation and installation integration

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.037

2016-12-08

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(201612106008Y)

于雯(1987—)，女，硕士，讲师

研究方向：船舶与海洋结构的力学性能、海洋结构的动力性能、减振方法的研究与教学工作

U656.6

A

1671-7953(2017)04-0161-04

修回日期：2017-01-09