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    海上風電吊裝作業船強度有限元分析

    發布于:2022-10-09 20:29
    有限元分析

          風暴自存狀態是海洋平臺處于工作區域時的最危險狀態,其受到的環境載荷為最大值,歷來受到很大重視。第三代自升自航式海上風電安裝船,配備有升降樁腿和大型起重機,具有自升、自航、起重等多種功能,其甲板載荷很大;風電船的樁腿除了承受船體的重量、支撐其平衡外,還承擔著將其承受的各種載荷傳遞至海底,是風電船非常關鍵的部分。海上風電安裝船主要在風浪較大的海上風電場作業,在遭遇臺風等惡劣條件下,其船體和樁腿結構必須能夠保證有足夠的強度抵御外力。
          參考文獻曾對該船的全船和部分關鍵結構進行了多種工況強度有限元分析,本文在此基礎上,仍以該船為例,應用MSC.Nastran軟件,在風暴自存工況下,分析其主船體及樁腿的結構強度。
          本船建模時采用右手笛卡爾坐標系,原點位于Fr60中縱剖而基線處,X軸沿船長方向,船舷為正;Y軸沿船寬方向,左舷為正;Z軸沿型深方向,向上為正。采用N.m的單位制。
          模型中主要采用板殼單元與梁單元來模擬船體構件,板殼單元必須保證構件網格劃分后生成的單元在交線處的節點完全重合。具體建模方法參見文獻。
          船體處于風暴狀態時,樁靴入泥,根據相關規范,取海底泥而以下3m處鉸支。主船體和樁腿之間的連接是通過齒輪齒條裝置實現的,兩者之間通過齒輪齒條傳遞豎向力,在上下導向環處禍合水平位移,在鎖緊區禍合水平和垂直位移載荷主要分為兩類,分別是靜載荷和環境載荷。靜載荷包括重力載荷以及功能載荷,采用了若干MPC對風機及其部件進行了加載,具體的加載方法參見文獻,環境載荷由風、浪、流及其組合產生。
          風暴自存狀態下的結構分析,取風向為迎風、橫風及斜風,并假定風浪流同向,其中波浪載荷及流載荷僅針對樁腿。對于無限作業區域的平臺,其風暴自存狀態下的設計風速取為51.5 m/s。
          計算得到風暴狀態下船體、樁腿、起重機、上層建筑和風機等部件所受到的風載荷,并按照如下兩種方式施加到有限元模型上:
          (1)對于船體、上層建筑等結構,根據(2)式計算得到的風力,在受風結構處取若干節點,以等效集中力的形式進行加載。
          (2)對于起重機、風機各部件等,按風力引起的彎矩施加到模型相應節點。風暴狀態下,主船體被抬出水而,因此波浪載荷僅針對樁腿。根據規范,并結合江蘇沿海實際海情,確定設計波高H=8 m,周期T=10 s,波形確定為斯托克斯五階波理論。
          斯托克斯波理論認為具有單一規則的有限振幅波可以用有限個簡單的、頻率成比例的余弦波來進行模擬,這在平臺設計中被廣泛地應用。
          對于作用在細長柱體上的波浪力計算,工程上常采用以繞流理論為基礎的半理論半經驗公式莫里森方程求解,它假定柱體的存在對波浪運動無顯著的影響,波浪對柱體的作用主要是粘滯效應和附加質量效應。
          將(3)式沿柱體從海底到靜水而積分即可得到作用于整條樁腿上的波浪力。
          應用斯托克斯五階波計算公式,根據莫里森方程利用Matlab軟件編寫成計算程序,可以獲得斯托克斯五階波任意時間、任意位置處的水質點速度與加速度,以求得樁腿上的波浪力。


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