浮式风机系泊区域局部强度分析

李 强， 刘 阳， 张 朝， 张春雷， 周 蕊

(北京高泰深海技术有限公司， 北京 100011)

浮式风机系泊区域局部强度分析

李 强， 刘 阳， 张 朝， 张春雷， 周 蕊

(北京高泰深海技术有限公司， 北京 100011)

对浮式风机系泊区域局部结构强度运用简化船体梁法进行计算分析，借助有限元软件对该区域局部结构进行有限元分析，描述建立这种复杂不规则模型时需要运用的技巧, 建立浮式风机系泊区域局部结构有限元模型,阐述浮式风机系泊区域局部结构有限元结构分析方法,以及在加载过程中应该注意的受力转换，所得到的浮式风机系泊区域局部结构的分析结果满足规范要求。

浮式风机；系泊区域局部结构；船体梁；有限元；结构强度

0 引 言

随着全球对能源的巨大需求，风电行业作为新能源领域产业化程度最高的行业得到了高速发展，陆上风电开发已逐渐趋于饱和，海上风电则越来越受到重视，其中深海风电代表着未来海上风电发展的方向[1]。开发深海风能资源，由于水深的限制，采用传统的固定式基础将导致成本激增，且服役期满拆卸不便[2]，而浮式风机具有开发不受水深限制，机动性好，方便维护等特点[3]。

近些年，计算机和我国海洋工程科学领域都得到了迅速发展，很多新型材料也不断出现并得到广泛应用，对于超出船级社规范计算公式范围的平台，有限元分析法就成为海洋工程结构物设计的重要计算工具[4]。为了对浮式风机向外伸出的系泊区域这一特殊的局部结构进行强度计算，本文参照美国船级社相关规范运用传统的船体梁理论和有限元分析法进行结构强度计算。

1 建立模型

本浮式风机设定在南海海域作业，位置约东经110°38’，北纬8°37’，其距甘蔗岛20 km，距达州岛17 km，平均水深约135 m。浮式风机的基础包括：3个立柱、1个中立柱、3个浮箱、3个垂荡阻尼板和顶部连接支撑结构。浮式风机的三维模型如图1所示。

图1 浮式风机三维模型

浮式风机基础主要参数如表1所示。

表1 浮式风机基础主要参数 m

2 简化船体梁计算方法

根据浮式风机系泊区域局部结构的特点和边界条件，可以将其简化为变截面的悬臂梁结构, 根据不同的工况将其简化成不同的梁模型，并采用简单梁的理论, 分析船体梁危险断面处的各应力[5]。浮式风机系泊区域局部结构如图2所示。

图2 系泊区域局部结构

2.1 系泊区域局部结构受力分析和边界条件

锚链作用在系泊区域的集中力载荷根据不同的工况分别为P1，P2，P3，其大小分别为60 t，380 t，640 t。根据规范得出甲板的计算压头h0=6.1 m, 得出均布载荷Q1= 536 800 N/m。结构自重也可近似为均布载荷，计算可得Q2= 1 234 640 N/m。

对于简化成悬臂梁的系泊区域局部结构，一端可认为是刚性固定，3种工况悬臂梁的受力和边界条件如图3～图5所示。

图3 静态工况悬臂梁受力

图4 操作工况悬臂梁受力

图5 极限工况悬臂梁受力

2.2 悬臂梁应力计算结果

悬臂梁受力最大的位置在刚性固定端，所以, 首先计算固定端的剖面模数, 然后用悬臂梁理论所求的力计算出该处的上甲板和外板下端的弯曲应力值。计算结果如表2所示。

表2 悬臂梁应力值

根据美国船级社船体梁相关规范，许用弯曲应力值分别为：静态和操作工况[σ]=244.8 N/mm2，极限工况[σ]=315.3 N/mm2。由计算结果可知，结构所受应力小于许用应力，结构强度满足强度要求。

3 有限元计算方法

将浮式风机系泊区域局部结构简化为一个悬臂梁，可以粗略地分析该结构的整体受力和最危险的受力点，却无法计算出横向、扭转和局部强度。所以，进一步应用有限元法来精确计算该区域的强度是十分有必要的。

3.1 强度校核方法和分析对象

浮式风机基础局部强度分析建立在结构有限元分析的基础上，该分析方法包括美国船级社最新规范和浮动结构最新受力分析技术，并在这种计算分析过程中使用最先进的有限元计算软件程序。结构计算分析中所施加的载荷、环境条件和所采用的安全系数，应满足美国船级社的相关要求。分析所用的强度理论与简化船体梁计算方法所用的理论相同。

结构强度的分析对象为浮式风机基础局部结构，包括与系泊结构相关的部分外板和甲板结构以及为了保证强度的加强结构[6]。

3.2 有限元结构分析模型

依据浮式风机基础结构图纸及导缆器、止链器和下放滑轮的局部加强图纸，创建各局部结构的三维有限元模型。导缆器区域：模型水平范围包括矩形柱FR 20～FR 44，模型垂直范围包括矩形柱EL. (+) 16 000～EL. (+) 25 000。止链器区域和下放滑轮区域：模型水平范围包括从矩形柱FR 20～FR 44，模型垂直范围包括矩形柱EL. (+) 25 000～矩形柱的顶部。3个区域的有限元结构模型如图6～图8所示。

图6 导缆器区域有限元模型

图7 止链器区域有限元模型

图8 下放滑轮区域有限元模型

在建立的有限元模型中采用板壳单元和梁单元。除此之外，还要对有限元模型进行简化，如距离系泊区域较远处的甲板或舱壁上的开口和小肘板等。这一简化过程，既是出于其对结果影响极小的考虑，如忽略远离受力区域的开孔等，也是出于保守的考虑，如忽略较小的肘板等。系泊设备的相关构件只建立模型，而不考虑其本身的受力情况，只是为了使加载载荷时与实际加载情况更加接近。

3.3 边界条件

3个模型的边界均约束3个方向的位移和3个方向的转动，如图9～图11所示。

图9 导缆器区域边界条件

图10 止链器区域边界条件

图11 下放滑轮区域边界条件

3.4 载荷工况

根据浮式风机基础系泊分析报告以及浮式风机不同环境条件下各种不同载荷的作用情况，计算工况可分为静态、操作和极限工况[7]。

静态工况：在环境条件为静态条件时收放锚链的工况。此时锚链力的大小为60 t，锚链力主要作用在下放滑轮上，止链器和导缆器几乎不受锚链的作用力。因此，在静态工况条件下只分析下放滑轮区域的强度。

操作工况和极限工况：在环境条件为操作和极限条件时锚链固定在止链器上的工况。此时锚链力的大小分别为380 t和640 t，锚链力主要作用在止链器和导缆器上，下放滑轮几乎不受锚链的作用力。因此，在操作和极限工况条件下只分析止链器和导缆器区域的强度。

不同的工况分别加载相应的总体载荷与局部载荷，包括垂向弯矩、舷外水压力与液舱液体压力等内部载荷和环境载荷[8]。

3.5 计算结果评估

利用有限元软件，对已建立的浮式风机基础系泊区域各局部结构模型进行静态、操作和极限工况下的分析计算，参照美国船级社规范[9-10]关于局部应力校对准则的相关章节，各个工况的应力值满足规范要求。

以上3种工况的结构最大应力详细结果如表3所示，导缆器、止链器和下放滚轮区域结构的各工况应力云图如图12～图16所示。从应力云图可知，在操作工况和极限工况下导缆器区域结构的最大受力点都在与导缆器位置相对应的浮体结构内部强构件与水密舱壁交界处；止链器区域在操作工况和极限工况下最大受力点都在止链器位置相对应的浮体结构内部强构件上；下放滑轮区域在静力工况下最大受力点在下放滑轮下的甲板上。简化船体梁计算方法中悬臂梁最危险截面固定端处，并没有出现较大的应力，这是由于甲板及其内部的主结构承担了大部分的力，只有非常少的受力传递到边界处。边界处的应力值远远小于材料的许用应力值，所以，无需为了系泊的作用力把边界处再做加强，只需加强各系泊设备周围的结构即可。

表3 各工况最大应力值及其与许用应力的比

图12 导缆器区域操作工况von Mises应力云图

图13 导缆器区域极限工况von Mises应力云图

图14 止链器区域操作工况von Mises应力云图

图15 止链器区域极限工况von Mises应力云图

图16 下放滑轮区域静态工况von Mises应力云图

4 结 论

本课题对浮式风机系泊区域局部结构利用简化船体梁计算方法和局部结构三维有限元直接计算方法进行结构强度计算，并参照美国船级社规范的相关章节分析系泊区域局部结构的强度，对计算结果进行详细的对比和分析。由分析结果得出如下结论：浮式风机系泊区域局部结构满足规范的要求,从而满足各工况下的安全使用。以上的强度分析过程和方法，包括载荷工况的选取和应力的校核等，可以对同类型浮式平台系泊区域局部结构设计和强度分析起到一定的参考作用。

[ 1 ] 姚兴佳，隋红霞，刘颖明，等.海上风电技术的发展与现状[J].上海电力，2007,20(2):111-118.

[ 2 ] 黄维平，刘建军，赵战华.海上风电基础结构研究现状及发展趋势[J].海洋工程，2009,27(2):130-134.

[ 3 ] 李荣富, 朱海飞.大型海上浮动式风机基础设计方法研究[C]//北京国际风能大会，2013.

[ 4 ] 熊志鑫.船体结构有限元建模与分析[J].海洋工程装备与技术，2015(5)：331.

[ 5 ] 熊志鑫, 贾考军, 佟福山. "海豹6号"震源船悬尾结构强度分析[J]. 舰船科学技术, 2010, 32(4):19-22.

[ 6 ] 吕滨, 张虹宇. 海洋风电场风机基础的设计分析[J]. 船海工程, 2012, 41(2):155-160.

[ 7 ] 邓慧静.海上浮式风机平台稳性及锚泊系统性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

[ 8 ] 嵇春艳,于雯,沈晴晴.半潜式平台总体强度计算和关键结构极限强度计算方法研究[J].造船技术, 2012(1):8-12.

[ 9 ] ABS.Commentary on the Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures [S].2016.

[10] ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units (2016) [S].2016.

Local Strength Analysis of Moored Area of Floating Wind Turbine

LI Qiang， LIU Yang， ZHANG Zhao， ZHANG Chunlei， ZHOU Rui

(COTEC Offshore Engineering Services (Beijing), Beijing 100011, China)

The local structure strength of the mooring area of the floating wind turbine is calculated and analyzed by simplified hull girder method. The local structure of mooring area is analyzed with finite element method. Some useful techniques is described while building complex and irregular models. The local structure of mooring area finite element model is established and the finite element analysis is described. The force conversion should be paid attention to during loading. The analysis results of the local structure of the mooring area of the floating wind turbine meet the requirements of the code.

floating wind turbine; local structure of mooring area; hull girder; finite element; structural strength

李 强(1981-)，男，工程师，主要从事船舶与海洋工程方面的研究

1000-3878(2017)04-0035-05

U662

A