自升式风电安装船桩靴结构优化设计

张 坤，王接班，卞正伟

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226000）

0 引言

气候变化是当今人类面临的重大全球性挑战。在国家大力发展低碳绿色经济的背景下，风能是一种清洁可再生的，最成熟的，具备大规模商业开发价值的新型能源。近年来，我国海上风电产业迅速发展，沿海城市相继出现了海上风电场。相较陆上风电场，海上风电场的施工难度要高很多，风电安装船作为海上风电的核心装备，其重要性不言而喻。桩靴作为自升式风电安装船的重要组成部分，与桩腿相连接。在海上作业时，桩腿依靠桩靴承受海底对全船的支撑力，将船体升到水面以上，可有效克服漂浮式工程船不稳定的特点，为船舶施工提供一个稳定的舒适的工作环境[1-4]。

由于桩靴结构存在结构复杂、空间小、工况多等特点，其初步设计方案往往没有考虑到施工和工艺的要求。基于此，本文对某自升式风电安装船的桩靴进行设计优化，并采用有限元技术对优化后结构的合理性进行验证。

1 桩靴结构形式优化设计

在初步设计方案中，桩靴内部结构采用实肋板，实肋板可增强整个桩靴的刚度，使桩靴的强度得到保证。然而，由于桩靴边缘处和桩腿联接处的载荷较大，采用实肋板的设计方案在远离高载荷区域处存在过度设计的风险。此外，由于桩靴高度较小，需要在实肋板上开人孔以便检修。初步设计方案的人孔较多，但桩靴内部空间狭小。

未解决上述问题，综合考虑桩靴设计的要点、设计工况和结构形式，对桩靴结构进行优化设计。由于桩靴靠近中心处结构密集且结构尺寸较大，故在桩腿与桩靴连接的高应力区域仍然采用实肋板，在非高应力区域则采用T梁进行补强。该优化方案在保证桩靴强度的要求下，可有效增加桩靴的内部空间，增强了桩靴的通达性。相较于初步设计方案，优化方案减少了24个人孔，降低了施工工艺的难度，为桩靴的检修提供了必要保证。桩靴结构优化前后示意图见图1。

图1 桩靴内部结构优化前后示意图

2 有限元模型

本文采用FEMAP软件进行有限元分析，使用4节点板单元对桩靴上板、底板、四周围板、桩靴内的舱壁及T型梁腹板进行模拟；使用2节点梁单元对加强筋和T型梁面板进行模拟，避免出现细长形单元。桩靴有限元模型见图2。

图2 桩靴有限元模型图

边界条件有2种设置方法：1）在桩靴外板底强结构处设置弹簧单元约束，根据插靴深度设置弹簧单元刚度，将变形控制在合理变形范围内；2）在桩腿接头处约束x、y、z这3个方向的自由度。2种方法的计算结果基本相同。

桩靴主要受到来自海底的压力以及桩腿传递的弯矩作用，其设计载荷见表1。

表1 桩靴设计载荷

3 结构强度评估

3.1 规范校核

依据中国船级社（China Classification Society,CCS）《海上移动平台入级规范》对桩靴的主要结构尺寸进行计算，以保证外板和加强筋的强度满足要求。桩靴外板可参照平面舱壁板进行计算，桩靴内T梁可参考平面舱壁扶强材进行计算。此外，根据规范要求，构件的外周界板厚应在要求值的基础上增厚1 mm，桩靴底部应增厚3.5 mm。桩靴顶板和桩靴下底板筋梁规范校核情况分别见表2和表3。

表2 桩靴顶板规范校核

表3 桩靴下底板筋梁规范校核

3.2 强度校核

对最危险组合工况下的结构强度进行校核。结构应力云图见图3，屈服分析结果见表4。

表4 屈服分析结果

图3 最危险组合工况下结构应力云图

由图3和表4可知：不同工况下高应力点主要出现在桩靴内舱壁板与桩腿筒连接处，最大应力为352.8 MPa，强度满足CCS规范的要求[5]。典型板格屈曲分析结果见表5，满足CCS规范的要求。

表5 典型板格屈曲分析结果

4 结论

本文对某自升式风电安装船的桩靴进行了优化设计，建立了有限元模型，并根据相关规范计算了桩靴在预压载、偏心和风暴自存工况下的结构强度。强度校核结果表明：最大应力出现在桩靴内舱壁板与桩腿筒连接处，结果符合实际情况。优化设计后的结构强度满足要求且实船运营良好。研究成果可为桩靴结构优化设计提供一定参考。