为海上风力发电机设计更坚固的船舶停靠装置
结构仿真帮助一家近海工程公司设计船舶停靠点，使其能够承受波涛汹涌的海水和 200 吨级船舶的撞击。
Joseph Carew
2024 年 9 月
在波涛汹涌的大海上，一艘摇曳的船只搭载着维修人员正驶向风力发电机。当船被紧紧挤靠在专门设计的靠船台后，工作人员开始下船并走向作业位置。这时，一阵海浪袭来，卷走了小船，然后又朝着仍停留在靠船台下方平台的船员们席卷而去。幸运的是，船台中的碰垫吸收了海浪的冲击力，避免了灾难的发生，转移工作得以安全完成。
面对大海猛烈无情的冲击，被转移人员显得脆弱无比，加上需要与重型船只的频繁互动，所有这些都要求靠船台必须非常坚固。增加强度可能需要增加钢材，但如果没有正确的信息来指导决策，设计工程师可能会将材料添加到实际并不需要的部件上，从而增加不必要的成本。因此，在设计靠船台时，不仅要考虑安全性和强度，还要注重材料的高效利用，这对海上风力发电机的运行至关重要。
为了应对这些挑战，海洋工程领域的领导者 Wood Thilsted 公司开发了一种既经济又高效，同时兼顾海洋环境和安全的方法，用于创建、测试和验证靠船台的设计。具体而言，该团队使用 COMSOL Multiphysics® 仿真软件来减少工作量，最大限度地减少潜在错误，并使许多设计流程自动化。
设计靠船台面临的挑战
通常在一个项目中，Wood Thilsted 公司的团队仅需花费一至两个月的时间就能设计出一个新的靠船台，它不仅能够承受汹涌的海水和 200 吨级船舶的作用，并且使用寿命长达 30 年。Wood Thilsted 公司的高级结构工程师 Louise Bendtsen 表示，从最基本的原理来看，这些靠船台的建造看似简单得令人误解。她回忆道：“有人曾经说过 ‘ 不就是一些管子吗，有什么难建造的！’ 但实际上，这非常具有挑战性。” 真实环境严苛的要求使得海洋中船舶停靠台的设计令人生畏。
“设计所面临的挑战是，我们有一系列不同载荷工况的要求，而这些要求往往相互矛盾。我可以花很多时间优化设计的某一方面，然后却发现它在另一种设计工况下不起作用，” Bendtsen 评论道，“（作为一名设计师，这意味着你）需要从更广阔的视角来看待整体设计，不能花太多时间专注于某个小细节，因为这样做是行不通的。”
维护人员需要通过靠船台从船上安全地转移到风力发电机平台，这增加了设计的复杂性。在此过程中，一艘专门设计的 200 吨级船的船头会抵靠到靠船台的碰垫上，而工作人员则要先转移到靠船台的梯子上，然后爬到安全的地方。停靠台不仅需要能够承受这些冲击力，还需要能够承受在其预计的 30 年使用寿命内海水对其产生的作用力。除了满足总体载荷要求外，工程师还必须针对意外情况进行设计，比如意外碰撞。
通过仿真确定承载力和疲劳的极限状态
为了充分理解各种设计的性能，Wood Thilsted 团队需要一个能够模拟承载力极限状态（ultimate limit state, ULS）波和疲劳极限状态（fatigue limit state, FLS）波的仿真工具，为此，他们选择了 COMSOL Multiphysics® 软件。ULS 波代表靠船台在其预计使用寿命内可能承受的最大峰值力，而 FLS 波则代表 30 年的海浪和人员转移对结构的累积影响。ULS 波和 FLS 波是任何一个海上风力发电机安全地接入设计方案的决定性载荷工况。
由于靠船台包括梯子、碰垫、插销和许多其他组件，因此 Wood Thilsted 团队还需要能够测试各种不同的设计，以确保使用安全。然而，逐个改变每个组件并重新构建整个几何结构需要耗费大量时间。通过使用 COMSOL® 软件及其简洁易用的仿真界面，团队可以快速调整、测试和优化关键测量值，包括梯级间距、梯子宽度、碰垫之间的空间和跨步距离。
设计落地
Wood Thilsted 的靠船台的设计使用了钢材，并以三组水平梯子支撑为特色，这些支撑焊接在风力发电机的过渡组件上，也就是发电机与水面的交界处。顶部的支撑是一个焊接在法兰上的销钉，作为靠船台的垂直约束。下部的两个支撑是被硫化氯丁橡胶桶所覆盖的销钉，这些氯丁橡胶可确保支撑系统的涂层不受损坏。总的来说，这种设计方法使得靠船台如需在其预期使用寿命结束前进行更换，也可以被轻松拆卸。
使用仿真软件实现自动化
为了避免使用重复分析这种浪费时间和资源的低效方法，Wood Thilsted 团队选择了进行自动化仿真。
Bendtsen介绍说：“我们使用 COMSOL 软件快速、轻松地计算停靠台的应力集中系数，并在整个项目中持续跟踪。”为了进一步验证可能的设计，她的团队与 Wood Thilsted 的 Primary Steel 团队合作，以获得有关应力集中系数和所用材料限制的反馈。
Wood Thilsted 团队使用 COMSOL Multiphysics® 的附加产品 LiveLink™ for MATLAB® 将施加载荷、设置材料属性和选择分析类型等流程自动化，从而确保一致性和高质量。
“通过使用 COMSOL Multiphysics®，我们可以自动获得应力，然后使用 LiveLink™ for MATLAB® 将这些数据连接到 MATLAB®。” Bendtsen 介绍道，“这样，我们就可以编写自己的脚本来提取应力和应变，并针对不同的载荷工况执行所有的结果评估，从而节省出时间来改进设计并专注于具有挑战性的部分。”
这些载荷工况包括模拟正常的波浪载荷以及意外的船只碰撞冲击，所有这些工况都可以通过在 COMSOL® 中建立和存储特定部件的信息来进行优化和自动化。Bendtsen 评论道：“软件中有很多实现自动化的功能，这对我们非常有利，因为我们拥有大量相似但又不同的载荷工况。”
零件库和参数
Wood Thilsted 的设计方法之所以高效，部分原因在于其几何零件库。在 COMSOL Multiphysics® 中，用户可以创建设计并存储它们，还可以复制复杂的几何图形并将其参数化。利用这一功能，Bendtsen 和她的团队逐块构建了他们的靠船台设计，分别绘制出每个部件并保存其参数，以便于他们可以将一个设计部分换成另一个设计部分。这种方法使他们能够通过修改相应的全局几何参数，同时改变多个相似的部件，从而轻松地将设计与之前的迭代进行对比。
具体来说，Wood Thilsted 的几何零件库中包括了碰垫支撑、桶支撑、碰垫和梯子等各种零件，并可以根据需要将零件插入模型中。“这意味着我可以将这些不同的几何部件组合起来，从而构建出一个整体靠船台设计。”Bendtsen 解释说：“我们的部件还具有多种配置，因此我可以改变接头类型和角度，从而实现不同的配置。”
Bendtsen 发现，当设计方案经过模拟后，再与不同的制造厂商合作时，这一点尤其有用。在实际建造靠船台时，与不同的制造厂商合作会遇到个性化偏好问题。“我们有很多不同的配置，因此我们创建了一个零件库，使我们能以多种方式配置靠船台，并且易于调整。” Bendtsen 说道。
此外，Wood Thilsted 公司创建的三维 COMSOL 模型还可以让设计师轻松地对可能的设计进行可视化检查，以验证所有配置是否正确。通过结构力学仿真，Wood Thilsted 团队能够准确地建立靠船台设计模型，并模拟环境和船只可能对其产生的巨大影响。
为更好的设计奠定基础
靠船台的设计不仅仅是各种管道的组合，还需要考虑效率和安全。由于成本和风险都关系重大，建模和仿真有助于消除这一过程中的不确定性。此外，Wood Thilsted 公司还实现了部分流程自动化，并优化了其风力发电机的靠船台设计。“客户会继续找我们设计靠船台，因为我们的设计有良好的记录，并已被证明是行之有效的。” Bendtsen 总结道。这种想法与 Wood Thilsted 公司的座右铭——快速、灵活地执行设计，不谋而合，正如 Bendtsen 所说，“我们的项目团队灵活且快速，可以在几个小时而不是几周内处理设计变更，以最快的速度提供最节省钢材的设计。”
MATLAB 是 Math Works, Inc. 的注册商标。