风电安装平台总体结构强度计算分析

1、王小松等，风电安装平台总体结构强度计算分析风电安装平台总体结构强度计算分析王小松1，刘敬喜2，薛鸿祥1（1上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2华中科技大学 船舶与海洋工程学院，武汉 430074）摘 要：介绍了风电安装船的工作流程。依据线性微幅波理论及莫里森公式，采用水动力方法确定设计波参数，对升降工况、作业工况、自存工况等载况下的波浪载荷进行了预报，得到了四个桩腿上的波浪流诱导载荷1,2。在此基础上建立结构三维有限元模型，对整船结构在各个计算工况下的应力分布情况进行了分析，列出了主要结构部位在不同工况下的最大应力，提出了总体强度及结构设计的关键要素，可为今后风电安装作

2、业平台的结构设计提供参考。关键词：自升平台；总体强度；有限元方法中图分类号：U661.43 文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2015.Z.005Global Strength Analysis of Wind Turbine Installation PlatformWANG Xiao-song1, LIU Jing-xi2, XUE Hong-xiang1(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200

3、240, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)Abstract: Introduce the working process of an offshore turbine installation platform. The wave induced load in legs was obtained by means of hydro dynamic calculation

4、 According to linear wave theory and Morison formula, 3 wave load predictions were done for pre-pressure condition、self-survival condition and working condition. At the same time, three dimensional FE model was built to accessed the global strength, then compared the max von mises stress of differen

5、t members in different loading conditions, some key point which control the global strength and structure design are list, such conclusions could be as references to the structure design of wind turbine installation platform in the future. Key words: Jack-up platform; global strength; FEM 7 0 引言风能是一

6、种清洁能源，随着全球绿色及可再生能源潮流的兴起，世界各国都已将发展海上风电作为新能源开发的重要方向。目前我国的海上风电开发处于起步阶段，根据中国风能协会统计，截止至2013年底，我国海上风电建成装机容量42.86万千瓦，仅占全国风电装机总容量的约0.5%，其中近海项目12.81万千瓦，海上风电发展速度远远落后于国家规划。近期，随着发改委关于海上风电电价政策文件的下发以及2014-2016全国海上风电开发建设方案等文件的先后公布，在国家政策的大力扶持下，各家企业海上风电开发布局明显加快。本文的目标平台是一座无自航能力的自升式平台，设计作业海域为中国东海风电场，作业水深25m；平台桩腿为插销式圆柱

7、形结构；甲板承载能力为12t/m2，同时运送两套风机设备，甲板上主吊机的最大起吊能力为700t，附吊机为120t，艏部打桩架自重70t。由于作业时船体承受的载荷大，故总体结构强度分析成为保证平台结构安全的首要任务3-5。本文基于线性微幅波理论以及莫里森公式，通过水动力软件对风电安装平台四个桩腿上的波浪流诱导载荷进行了预报，并在此基础上进行了整船结构强度的计算分析。1 波浪与海流载荷计算理论1.1 微幅波波浪在初始设计阶段，船舶与海洋工程结构物的波浪计算通常采用线性微幅波，波浪速度势为：收稿日期：2014-11-25；修回日期：2015-5-21作者简介：王小松（1981-），男，硕士研究生。主

8、要从事船舶与海洋工程结构物设计和强度计算。 （1）式中：d为水深，m；H为波高，m；k=2/L，为波数；，为波频；t为时刻，s；g为重力加速，m/s2；z为海底以上高度，m。则波浪水质点水平方向的速度ux和加速度ax为： （2） （3）1.2 海流流速海流流速随着水深变化为： （4）式中：Vz为海底以上高度为z处的流速，m/s；V0为海面流速，m/s；d为水深，m。1.3 波浪和海流力的计算由文献6可知，当D/L<=0.2时，为小尺度构件，其中D为桩柱的直径，L为波长。对于小尺度构件单位长度上的波浪力和海流力，可用莫里森（Morison）公式计算拖曳力和惯性力后，再按照同相位合成。作用于

9、直立柱体任意高度z处单位柱高上的水平波力为： （5）式中：ux和dux/dt分别为柱体中心位置任意高度z处波浪水质点的水平速度和水平加速度，m/s2；A为单位柱高垂直于波向的投影面积，m2；V0为单位柱高的排水体积，m3；为海水密度，kg/m3；CD为垂直于柱体轴线方向的拖曳力系数；CM为质量系数。对于圆柱体，取CD=1，CM=2。加上海流力的影响，作用在直立柱体上任意z处单位长度上垂直于轴线的力可写成以下形式：1）当z在(-d, 0)范围内，单位长度上垂直于轴线的波浪海流力为： （6）2）当z在(0, H/2)范围内，单位长度上垂直于轴线的波浪海流力为： （7）2 结构分析2.1 计算模型本

10、计算采用有限元校核软件MSC.PATRAN/Nastran进行整船结构（除去桩靴）的建模和强度分析，船体主要构件及次要构件均建模，局部的支撑构件如肘板等不计入模型中，桁材等的小开孔忽略不计。计算模型的质量和重心位置最终应确保和实船一致。本计算在模型中采用右手直角坐标系，原点设于船尾垂线和基线相交处。x轴：纵向沿船首方向为正。y轴：沿水平方向向左舷为正。z轴：垂向自原点向上为正。2.2 工作载荷1）700t主吊机/300t辅吊机的作业载荷根据Bernoulli-Euler理论，在起重机顶部端面使用了多点约束（MPC）单元，在其上施加作业载荷。2）风压载荷根据文献6有关章节规定，结合本船的工作海域

11、，本船正常作业状态的设计风速为13.8m/s，自存工况的设计风速为36m/s，迁移工况（即为拖航工况）的设计风速为20m/s。3）P-Delta效应载荷由于轴向压缩引起的桩腿整体侧向位移所引起的二次力和力矩应加以考虑，即为P-Delta效应，按照式（8）计算。=/(1-P/PE) （8）式中：为主船体线弹性一阶测向位移，m；P为桩腿平均受压载荷，N；PE为整根桩腿的弹性临界力（欧拉力），N。4）可变载荷可变载荷是根据装载手册中的船体装载质量以及主要的结构、舾装、电气部分的质量，其中较大的设备在模型中以质量点的方式进行施加，油水等以对船体的压力或者质量点的方式进行施加。2.3 边界约束条件根据本

12、平台的作业特点，作业之前已经对桩腿预压，使插入海泥中的桩靴预压牢固，故本计算初步在桩腿泥面下3m部位进行绞支约束（约束三个方向位移）。2.4 计算海况选取在计算船体在升起状态的承载能力时，波浪力的计算尝试选取了以下9种海况条件，如表1所示。表1 计算海况选取海况波高周期水深流速气隙海况波高周期水深流速气隙海况1（作业）5m7s25m3kn2.5m海况6（自存）4m7s2.3m3kn3m海况2（自存）5m8s25m3kn2.5m海况7（自存）5m8s2.5m3kn2.5m海况3（作业）3m7s25m3kn3.5m海况8（升降）5m7s25m3kn2.5m海况4（自存）4m7s15m3kn3m海况

13、9（自存）5m8s25m3kn2.5m海况5（作业）3m7s2.3m3kn3.5m2.5 计算工况根据文献6，设计时应对升降工况、自存工况、作业工况进行特别关注，在计算升降工况、自存工况及作业工况中，波浪力依次选择表1中工况8、工况9、工况1的数据进行计算，并分别按照15°间隔为一个工况，360°范围内进行计算。在以上所得的36个计算工况中，令波浪载荷、风载荷、吊机载荷为相同作用方向施加，确保结构的载荷叠加达到最大效果。2.6 结构应力分析根据文献6、文献7规范推荐强度校核取各单元形心处的中面等效应力。计算工况1工况12对应升降工况，在这12个工况中最大Von Mises应

14、力为282MPa，为右舷主甲板处和艏部护桩架交接部位；工况13工况24对应自存工况，在这12个工况中结构应力总体分布均匀，主船体结构最大应力水平主要分布在170MPa200MPa范围，最大的Von Mises应力为264MPa，为右舷主甲板和艉部护桩架交接部位；工况25工况36对应作业工况，最大的Von Mises应力为265MPa，主船体结构的最大应力水平为200MPa260MPa范围，各部位的结构应力分布如表2及图1图6所示。表2 主要构件最大Von Mises应力(MPa)工况序号整船结构船体桩腿护桩架工况序号整船结构船体桩腿护桩架工况序号整船结构船体桩腿护桩架升降工况1(0°

15、)282282172235自存工况13(0°)204181124204作业工况25(0°)2592591451862(30°)27421717127414(30°)21117713021126(30°)2322321511923(60°)27127117622915(60°)22517913422527(60°)2202201622084(90°)26926917423416(90°)23918213623928(90°)2132011652135(120°)26226217

16、224317(120°)24818613624829(120°)2242241562026(150°)26126118324618(150°)26419113826430(150°)2392391391817(180°)26526520825119(180°)24619213024631(180°)2652651181718(210°)26223117826220(210°)24019512624032(210°)2442441281619(240°)264234174264

17、21(240°)22619412222633(240°)21421414218310(270°)25523217325522(270°)21519212021534(270°)22822815820111(300°)24222617024223(300°)20418711920435(300°)22622616521112(330°)25423517125424(330°)19118211819136(330°)2272271612072.7 应力分布特点及结构建议本计算的36个工况中

18、，结构应力均低于各自钢材等级对应的许用值，满足规范要求。1）在自存工况和预压工况中，高应力发生在护桩架结构部位，分布在护桩架和主船体相交的局部区域以及护桩架顶面与桩腿连接部位，此时船体梁和护桩架主要承受剪切力载荷。2）在作业工况中，船体承受吊机工作载荷、风电设备质量、自身质量以及平台变形后产生的P-Delta载荷，高应力发生在吊机底座和主船体甲板相交的部位，弯曲应力显得突出。3）质量控制对于平台意义重大，局部非主要构件如上层建筑、横舱壁及横向构件等，可在满足横向强度基础上进行优化设计，尽量减轻结构质量，以有利于平台的升降。本平台桩腿应力小，有优化的空间。3 结论通过对近海风电安装平台的总体结构

19、强度分析计图1 升降工况最大Von Mises应力及变形图 图2 自存工况最大Von Mises应力及变形图图3 作业工况最大Von Mises应力及变形图 图4 升降工况主要构件最大Von Mises应力图5 自存工况主要构件最大Von Mises应力 图6作业工况主要构件最大Von Mises应力算，得到如下结论：1）此类自升式平台，抗剪切和抗弯曲能力非常重要，船体梁尤其是在护桩架部位的结构设计尤为重要，需要具备足够的抗剪能力和抗弯能力，这也是控制目标平台总体强度的关键要素。2）此类浅水区域作业的自升式平台，主要承受的是自身质量、甲板上风电设备质量及吊机作业载荷，其受到波浪流载荷的影响相对轻微，相比之下在自存工况时的风载荷比较大，需要特别注意。3）此外，桩腿、桩靴、护桩架结构和升降机构是此类平台的关键部位，也是平台实现自身举重功能的基础，假如这几个关键部位出现问题，将直接影响其功能的实现，故使用过程中需注意护理。参考文献：1M.J. Cassidy, P.H. Taylor, R.Eatock Taylor, et al. Evaluation of Long-term Extreme Response Statistics of Jack-up PlatformsJ.