海上风电吊装船吊装作业过程中结构损伤安全研究

摘要

随着风电行业的迅速发展，海上风电吊装船日渐成为重要的新型海洋工程船舶，它集运输船及自升平台的多种功能于一身，包括运输、吊装、升降、安装等功能。海上风电吊装船在作业时面对海上极其复杂的作业环境，风电吊装船在工作时可能会遇到各种意外情况。本文就风电吊装船意外碰撞塔筒及吊装作业时机舱意外坠落对船体可能造成的损伤情况进行分析计算，为该船型的设计及吊装作业安全提供参考。
　　本论文主要研究工作和成果如下：
　　(1)针对海上风电吊装船作业过程中可能涉及的结构损伤风险进行分析，提出了风电船结构安全研究主要范围；选择MSC.Dytran软件，建立了海上风电吊装船有限元模型，开展结构安全研究。
　　(2)分析了风电吊装船在风电场内的风电基桩附近航行和作业时，存在风浪诱导或人为操作失误而导致与风电基桩发生侧向碰撞的风险。以目标船为算例，利用软件模拟了船舶以不同速度侧向（90°及45°）低速碰撞风电基桩，得到了撞击中能量转换和吸收情况，及船体的结构变形和损伤过程，获得了可能造成船舶损伤的速度范围。其成果可供设计人员和驾驶人员参考。
　　(3)分析了风电机组吊装作业过程中，存在因操作失误或其他因素意外吊重坠落而导致风电机组及船体结构损伤的风险。文章以风机中最大的部件机舱为吊装物，模拟了不同速度下意外坠落对船体结构的冲击，得到了对船体造成结构损伤和破坏的情况及能量转换吸收曲线，获得了机舱下落导致船体结构屈服强度产生塑性变形和结构发生破损的临界速度。
　　(4)文章模拟了吊车以不同速度下放重物，对船体结构的冲击和影响，提出了风电机组安全下放速度的限制，其研究结果可以用于指导船型的结构设计和安全吊装作业；在此基础上提出了原有船体结构加强和缓冲措施。分别模拟了在船体强肋位处加装支柱及在甲板铺设橡胶的抗冲击情况，并比较了增加支柱提高船体结构抗冲击能力与橡胶吸能减缓冲击的效果；橡胶缓冲效果更佳。
　　本文计算结果及研究方法也可为其他船舶或结构物的碰撞提供一定的参考及借鉴作用。

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第1章 绪论{ TC "Chapter 1 Introduction"\l 1 }

1.1 研究背景和研究意义{ TC "1.1 Background and Meaning of this Paper"\l 2 }

1.2 国内外研究现状{ TC "1.2 Research States at Home and Abroad"\l 2 }

1.3 论文的主要研究内容与方法

第2章 碰撞数值仿真原理和方法{ TC "Chapter 2 Theory and method of Collison Numerical Simulation"\l 1 }

2.1 碰撞机理{ TC "2.1 Collision Theory"\l 2 }

2.2 非线性有限元控制方程{ TC "2.2 Nonlinear Finite Element Control Equation"\l 2 }

2.3 本章小结{ TC "2.3 Summary of this Chapter"\l 2 }

第3章 风电吊装船及有限元模型建立{ TC "Chapter 3 Introducton of the Ship and Establishment of Finite Element Model"\l 1 }

3.1 风电吊装船船型与主尺度

3.2 有限元模型{ TC "3.2 Finite Element model"\l 2 }

3.3 本章小结{ TC "3.3 Summary of this Chapter"\l 2 }

第4章 船舶侧向撞击海上风电站数值仿真{ TC "Chapter 4 Side Impact Numerical Simulation between Ship and Wind Power Plant"\l 1}

4.1 碰撞场景{ TC "4.1 Impact Scene"\l 2 }

4.2 模型的建立{ TC "4.2 Establishment of Model"\l 2 }

4.3 侧向（与船艏方向呈90°）撞击仿真结果及分析{ TC "4.3 Result and Analysis of Simulation"\l 2 }

4.4 不同碰撞速度下侧撞的特性分析{ TC "4.4 Character Analysis of Different Collision Speeds"\l 2 }

4.5 斜向（与船艏方向呈45°）撞击仿真结果及分析{ TC "4.3 Result and Analysis of Simulation"\l 2 }

4.6 本章小结{ TC "4.6 Summary of this Chapter"\l 2 }

第5章 风机坠落碰撞模型数值模拟{ TC "Chapter 5 Numerical Simulation of Falling Model of Wind Turbine"\l 1 }

5.1 碰撞模型的建立{ TC "5.1 Establishment of Collision Model"\l 2 }

5.2 接触的定义{ TC "5.2 Definition of Contact"\l 2 }

5.3 仿真结果及分析{ TC "5.3 Result and Analysis of Simulation"\l 3 }

5.4本章小结{ TC "5.4 Summary of this Chapter"\l 2 }

第6章 安全下放速度研究{ TC "Chapter 6 Research of Safe Falling Speeds"\l 1 }

6.1 下放速度为0.05m/s{ TC "6.1 With the Falling Speed of 0.05m/s"\l 2}

6.2 不同下放速度的模拟情况{ TC "6.2 Simulation of Different Falling Speeds"\l 2 }

6.3 本章小结{ TC "6.3 Summary of this Chapter"\l 2 }

第7章 船体结构抗冲击性能优化{ TC "Chapter 7 Optimization of Impact Resistance of Ship Structure"\l 1 }

7.1 结构耐撞性指标{ TC "7.1 Impact Resistance Index of Structure"\l 2 }

7.2 强肋位处加支柱{ TC "7.2 Setup Pillar at Strength Rib position"\l 2 }

7.3 缓冲装置的抗冲击性{ TC "7.3 Impact Resistance of Cushion Device"\l2 }

7.4 本章小结{ TC "7.4 Summary of this Chapter"\l 2 }

第8章 总结与展望{ TC "Chapter 8 Conclusion and Prospect"\l 1}

8.1论文的主要研究工作和成果

8.2 进一步的展望{ TC "8.2 Prospect of Paper"\l 2 }

参考文献

致谢