1、Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.003大型全钛海洋资料浮标结构强度有限元分析孙奇，徐希军，宋德军（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471003）摘要：为了分析校核全钛海洋资料浮标的整体结构及拖曳强度，本文依据相关标准规范计算了全钛海洋资料浮标作业工况和极限工况下所受的风、浪、砰击载荷，利用有限元方法对全钛海洋资料浮标进行了整体及拖曳强度计算分析。依次分别计算浮标结构为 8 mm 板厚和 6 mm 板厚两种方案的
2、应力，并对照 海上浮式装置入级规范（2014）进行了应力衡准。研究结果表明：无论采用 8 mm 的板厚还是 6 mm 的板厚，浮标结构强度及稳定性满足规范要求。在满足强度要求的前提下，使用 6 mm 板厚方案更具有经济性，也有利于提高浮标的设备承载能力。关键词：海洋资料浮标；有限元分析；整体结构强度；拖曳强度中图分类号：U661.43文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0023-09收稿日期：2022-07-29基金项目：厦门市海洋经济发展专项资金资助项目（17GZB016HJ04）作者简介：孙奇（1988），男，硕士，工程师，主要从事钛合金海洋结构物设计、工艺建造技术
3、研究。E-mail：sunqi_海洋资料浮标是离岸原位获取水文、气象等环境参数的重要技术手段，在海洋环境实况监测、预警预报、防灾减灾、资源开发、海上交通等方面具有重要作用。目前我国海域使用的浮标 98%是钢制浮标，因耐腐蚀性能不足，每年都必须将其搬回岸上，进行维护保养，如防腐涂漆、清除海生物等，然后送回海上继续服役，维护成本很高且污染环境1。国际航标协会（The International Association of MarineAids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA）及我国海事局多次强调，要求选用环保型、寿命长、维护成本低的浮标
4、。钛及钛合金以其优良的耐海水腐蚀性能被称为“海洋金属”，钛合金具有优良的力学性能和无磁特性。采用钛合金可以很好地解决材料磁性对通讯的干扰，钛合金的密度一般为4.5 g/cm3左右，具有适中的比重，可以减少浮标结构自重，提高浮标对测量仪器的承载能力，是海洋装备的理想选材。为解决钢制浮标耐腐蚀性能不足的问题，本文提出一种结构全部采用钛合金建造的6 m 直径规格的全钛海洋资料浮标。王浩2以我国南海深海为目标海域，设计了一种采用玻璃钢制作的 3 m 规格小型海洋资料浮标；孙辰3以印度洋深海海域为目标海域，设计开发了一种采用高分子聚合物制作的 2.3 m 规格的小型海洋资料浮标，上述浮标设计时，由于尺寸
5、规格较小，仅主要考虑其水动力性能，对结构强度稳定性未做详细分析研究；陈鑫阳等4采用流固耦合方法对 2.4 m 规格的小型穿浪式浮标进行了结构稳定性分析；万晓正等5设计了一种 6 m 规格的组装式大型海洋资料浮标，介绍了该浮标的结构形式，分析计算了总体稳性。张继明等6对 6 m 规格浮标进行了频域下的水动力特性仿真研究。王华洁等7进一步分析了频域内的垂荡运动特性。范秀涛等8对 10m 规格的钢制海洋资料浮标的运动性能进行了数值模拟和试验研究。刘长华等9设计开发了一种三锚式海洋观测浮标，介绍了该浮标的结构、系留系统组成、观测及能源系统等。上述对浮标的研究分析主要集中在总体设计及水动力性能方面，对大
6、型浮标的结构强度稳定性方面的研究基本没有报道，但海洋技术学报第42卷是，随着浮标设计规格越来越大型化，且应用新材料来制造浮标是今后的发展方向10，考虑到浮标长期受到风、浪、流及砰击载荷的作用，浮标结构强度的稳定性是设计浮标时必须要考虑的一个重要环节。浮标为圆盘形结构，不同于常规船体的细长形结构，并不能用弯曲等直梁等简化模型计算，必须采用整体建模计算校核的方法11-12。同时考虑到使用钛合金材料价格较高，会使浮标制造成本大幅提高，为了提高其经济性，在板厚设计上，应在满足相关规范要求的前提下，使用较薄板厚，以降低结构自身用料，因此，本文浮标结构主材选择 6 mm和 8 mm 两种板厚方案进行分析校
7、核。1有限元模型全钛海洋资料浮标（以下简称浮标）舱体部分为圆盘形，舱体上桅杆筒为圆柱形，舱体底部为圆锥体形，舱体内部中间用圆柱隔板分为浮力舱和仪器设备舱，浮力舱内沿圆周向布置 6 个水密隔板从而分割成 6 个独立浮力舱室，每个浮力舱室沿圆周横截面布置 3 组型材，共计 18 组。3 个仪器井相隔120布置在浮力舱内。浮标的几何模型如图 1 所示，浮标的主要参数见表 1，钛合金材料参数见表2。图 1浮标结构示意图系留点甲板面结构桅杆筒气象传感器平台去掉上甲板浮力舱（6 个）仪器井（3 个）仪器设备舱（1 个）表 1浮标主要参数由于当前没有对于全钛制造的海洋结构物的强度校核规范，本文浮标建模及强度
8、校核计算主要参考 海上浮式装置入级规范（2014）的相关规定，这是考虑到本文浮标所用钛合金材料性能满足中国船级社（China Classification Society，CCS）材料与焊接规范 的要求，且入级规范对海水浮式结构物在载荷及结构衡准等方面作出了较为全面和详细的规定，因此选择 海上浮式装置入级规范（2014）进行应力衡准。浮标的质量模型必须能够真实地反映实际的浮标质量分布特征，保持其质量沿径向与高度的分布、质量总值和质心与实体基本一致。但是由于舾装设备如梯子、电池等各种仪器设备在浮标抵抗环境载荷时，对整体结构强度没有影响，所以参数数值圆盘直径/m6型深/m2.7吃水/m0.864总
9、高/m8.8桅杆筒直径/m0.8舱体底部直径/m2.7水密隔舱数量6水密舱内 L 型材/mm75 50 6（8）内部支撑 T 型材/mm120 12/188 10壳板板厚/mm6（8）总重（6 mm）/t5.798总重（8 mm）/t6.741表 2钛合金材料参数参数数值密度/（g cm-3）4.5弹性模量/GPa108泊松比0.34线膨胀系数/K-18.2 10-6导热率/（W m-1 K-1）19.3抗拉强度/MPa400屈服强度/MPa275延伸率/%2524第1期建模过程中不对舾装设备进行建模，底部压载采用均布加载的方式处理。浮标整体有限元建模包括：主要板材，如浮力舱上甲板、浮力舱舭板
10、、浮力舱舷板、浮力舱内围板、桅杆筒等及其以上的扶强材；主要支撑构件上垂直于面板的腹板和加强筋；大肘板，甲板强肋板、桁材上平行于面板的加强筋；内部垂直加强筋。有限元模型使用了壳单元和梁单元两种，壳单元主要模拟浮力舱上甲板、浮力舱舭板、浮力舱舷板、浮力舱内围板、桅杆筒及各种构件之间的连接肘板等板壳结构；梁单元主要模拟各种构件上的尺寸较大且连续的加强筋、扶强材及肘板面板等。按照实际情况考虑梁的截面和偏心。在不同构件过渡部位，如锚系肋板处、系链柱与下甲板过度处、桅杆筒根部，尽可能避免使用三角形单元，尽量采用四边形单元。整体结构模型分析选用笛卡尔直角坐标系统。其中坐标原点建立在下甲板中心处，z 轴为垂向
11、，向上为正。由于浮标任一水线面为中心对称结构，设置由下甲板中心指向其中一个仪器井中心为 x 轴正向，y 轴正向由右手定则确定。海上浮式装置入级规范（2014）中大多针对海洋平台、海上浮式生产储油轮（Floating Production Storage&Offloading，FPSO）等海上浮式装置的结构进行强度计算，而本文中的 6 m 全钛海洋浮标体的主尺度相比于一般的海上浮式装置要小，计算过程中采用的最大网格尺寸 60 mm 60 mm 进行有限元分析评估可以满足计算要求。浮标整体有限元模型如图 2所示。图 2浮标整体有限元模型示意图2计算工况浮标在固定海域测量相应的气象、水文数据，工作时
12、的装载情况不会发生改变，因此浮标所受载荷主要受海况影响，海况见表 3。在每种海况下，波浪载荷考虑中拱、中垂状态。3载荷计算3.1风载荷浮标受到风载荷作用的主体部分为桅杆筒。目前，针对浮标桅杆筒表面风载荷计算没有相关明确规范的情况下，本文采用 GB 500092012 建筑结构载荷规范 中的相关部分进行计算。GB 500092012 中关于风载荷的计算规定相比于国内的其他规范更为详细与完善，涵盖的地貌范围全面，其中包括海洋地貌。垂直于建筑物表面上的风载荷标准值，计算主要受力结构时，风载荷由式（1）确定。wk=zszw0（1）式中，wk为风载荷标准值；z为高度 z 处的风表 3浮标布放海域海况参数
13、作业海况极限海况水深/m1 000 4 0001 000 4 000波高/m6825周期/s4715风速/（m s-1）2075流速/（m s-1）1.22.5孙奇，等：大型全钛海洋资料浮标结构强度有限元分析25海洋技术学报第42卷振系数；s为风载荷体型系数；z为风压高度变化系数；w0为基本风压。w0基本风压可按式（2）计算。w0=02/1 600（2）式中，0为风速；按表 3 取不同工况风速值，计算得到作业海况基本风压为 0.25 kN/m2，极限海况基本风压为 3.517 kN/m2。桅杆筒为表面光滑的圆截面结构物，高 H 为3.3m，直径 d 为 0.8m，H/d=4.125。根据GB5
14、00092012，表面光滑的圆截面构筑物整体计算时体型系数 s取 0.5（1 H/d 7）。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据不同地面粗糙度类别确定。地面粗糙度可分为 A、B、C、D 4 类：A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B 类指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇；C 类指有密集建筑群的城市市区；D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。本文采用 A 类的数据进行计算。对6 m 全钛海洋浮标桅杆筒风载荷进行计算时，由于桅杆筒高度不超过 5 m，z应取 1.09。因为浮标的工作位置分布广泛且远海海面修正系数修正范围较小（1.01.2），对风载荷标准值影响较小
15、，故忽略远海海面修正系数对本项目风载荷计算的影响。计算风振系数 z时，考虑浮标桅杆筒属于一般竖向悬臂型结构。根据 GB 500092012，对于一般竖向悬臂型结构，均可仅考虑结构第一振型的影响，z 高度处的风振系数 z可按式（3）计算。z=1+2gI10Bz1+R2（3）式中，g 为峰值因子，取 2.5；I10为 10 m 高度名义湍流强度，对应 A 类地面粗糙度，取 0.12；R为脉动风载荷的共振分量因子，按式（4）计算。R=x1261（1+x12）4/3x1=30f1kww0|（4）式中，f1为结构 1 阶自振频率，按 GB 500092012 附录 F 中的公式 F.1.2-4 计算得
16、2.766 Hz；kw为地面粗糙度修正系数，对应 A 类地面粗糙度，取1.28；1为结构阻尼比，取 0.01；w1为基本风压。由此计算得到 R 脉动风载荷的共振分量因子在作业海况下取值 1.372、极限海况下取值 2.131。Bz为脉动风载荷的背景分量因子，考虑桅杆筒为体型和质量沿高度均匀分布的结构，可按式（5）计算。Bz=kHa1xz1（z）z（5）式中，1（z）为结构 1 阶振型系数，取值见表4；H 为结构总高度；x为脉动风载荷水平方向相关系数，取值 0.997；z为脉动风载荷竖直方向相关系数，取值 0.905；k、a1为与地面粗糙度有关的系数，分别取 1.276、0.186。由上述计算得到浮标作业工况和极限工况下所受风载荷值，见表 4 和表 5。根据计算结果将风载荷加载到有限元模型上，图 3 和图 4 为作业海况及极限海况下风载荷压力分布云图。表 4一阶振型系数和风载荷标准值参数作业海况极限海况相对高度 z/H一阶振型系数 1（z）风振系数 z风载荷标准值 wk/（kN m-2）风振系数 z风载荷标准值 wk/（kN m-2）0.10.021.026 90.139 91.037
