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風(fēng)暴自存狀態(tài)是海洋平臺(tái)處于工作區(qū)域時(shí)的最危險(xiǎn)狀態(tài)，其受到的環(huán)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(fēng)電安裝船，配備有升降樁腿和大型起重機(jī)，具有自升、自航、起重等多種功能，其甲板載荷很大；風(fēng)電船的樁腿除了承受船體的重量、支撐其平衡外，還承擔(dān)著將其承受的各種載荷傳遞至海底，是風(fēng)電船非常關(guān)鍵的部分。海上風(fēng)電安裝船主要在風(fēng)浪較大的海上風(fēng)電場(chǎng)作業(yè)，在遭遇臺(tái)風(fēng)等惡劣條件下，其船體和樁腿結(jié)構(gòu)必須能夠保證有足夠的強(qiáng)度抵御外力。
參考文獻(xiàn)曾對(duì)該船的全船和部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多種工況強(qiáng)度有限元分析，本文在此基礎(chǔ)上，仍以該船為例，應(yīng)用MSC.Nastran軟件，在風(fēng)暴自存工況下，分析其主船體及樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
本船建模時(shí)采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于Fr60中縱剖而基線處，X軸沿船長(zhǎng)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?jiǎn)卧獊砟M船體構(gòu)件，板殼單元必須保證構(gòu)件網(wǎng)格劃分后生成的單元在交線處的節(jié)點(diǎn)完全重合。具體建模方法參見文獻(xiàn)。
船體處于風(fēng)暴狀態(tài)時(shí)，樁靴入泥，根據(jù)相關(guān)規(guī)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(shí)現(xiàn)的，兩者之間通過齒輪齒條傳遞豎向力，在上下導(dǎo)向環(huán)處禍合水平位移，在鎖緊區(qū)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(huán)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(duì)風(fēng)機(jī)及其部件進(jìn)行了加載，具體的加載方法參見文獻(xiàn)，環(huán)境載荷由風(fēng)、浪、流及其組合產(chǎn)生。
風(fēng)暴自存狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)分析，取風(fēng)向?yàn)橛L(fēng)、橫風(fēng)及斜風(fēng)，并假定風(fēng)浪流同向，其中波浪載荷及流載荷僅針對(duì)樁腿。對(duì)于無限作業(yè)區(qū)域的平臺(tái)，其風(fēng)暴自存狀態(tài)下的設(shè)計(jì)風(fēng)速取為51.5 m/s。
計(jì)算得到風(fēng)暴狀態(tài)下船體、樁腿、起重機(jī)、上層建筑和風(fēng)機(jī)等部件所受到的風(fēng)載荷，并按照如下兩種方式施加到有限元模型上：
(1)對(duì)于船體、上層建筑等結(jié)構(gòu)，根據(jù)(2)式計(jì)算得到的風(fēng)力，在受風(fēng)結(jié)構(gòu)處取若干節(jié)點(diǎn)，以等效集中力的形式進(jìn)行加載。
(2)對(duì)于起重機(jī)、風(fēng)機(jī)各部件等，按風(fēng)力引起的彎矩施加到模型相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。風(fēng)暴狀態(tài)下，主船體被抬出水而，因此波浪載荷僅針對(duì)樁腿。根據(jù)規(guī)范，并結(jié)合江蘇沿海實(shí)際海情，確定設(shè)計(jì)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(rèn)為具有單一規(guī)則的有限振幅波可以用有限個(gè)簡(jiǎn)單的、頻率成比例的余弦波來進(jìn)行模擬，這在平臺(tái)設(shè)計(jì)中被廣泛地應(yīng)用。
對(duì)于作用在細(xì)長(zhǎng)柱體上的波浪力計(jì)算，工程上常采用以繞流理論為基礎(chǔ)的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式莫里森方程求解，它假定柱體的存在對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)無顯著的影響，波浪對(duì)柱體的作用主要是粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)。
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(yīng)用斯托克斯五階波計(jì)算公式，根據(jù)莫里森方程利用Matlab軟件編寫成計(jì)算程序，可以獲得斯托克斯五階波任意時(shí)間、任意位置處的水質(zhì)點(diǎn)速度與加速度，以求得樁腿上的波浪力。
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