风能作为一种极具竞争力的可再生绿色能源，经过几十年的研究与发展，风力发电在世界范围内得到广泛应用。海上风力发电场是风能研究的成果之一，海上风力发电场的安装由风电机组安装船实施。风电机组安装船是一种自升自航式工程船，由船体、推进器、桩腿和升降装置等几个部分组成，既能自航，又能定位。风电机组安装船不同于自升式平台，因为它克服了自升式平台不能自航的缺陷，航行和就位不需要拖轮辅助，机动灵活。同时，风电机组安装船也不同于一般的自航式船，它克服了漂浮式工程船工作不稳定的缺点，海上作业时，桩腿站立于海底，船体升到水面以上，工作非常稳定。风电机组安装船作业时，船体和桩腿受到风、浪、流环境载荷冲击。环境载荷通过桩腿、桩靴传递给地基。桩腿结构对风电机组安装船的安全有至关重要的作用，研究桩腿的受力有限元分析具有重要意义。   
      本文研究对象是拟为东海风电场实际工程项目服务的风电机组安装船。全船配置四个桩腿，为独立小桩靴型式，通过滑轮升降装置提升和下放桩腿。正常作业时，桩腿通过预压插入泥中，起定位作用;船体未升离水面，保持一定吃水。此种操作状态下，在水平方向，当海上风浪较大时，船体会受到相当大的波浪冲击力，此载荷完全传递给桩腿。桩腿的结构设计是否安全，需要通过桩腿的强度分析来校核。本文的研究内容有两部分：一是应用经验公式计算风、流载荷，基于三维势流理论计算波浪载荷，并将得到的环境载荷分配给四个桩腿，得到单个桩腿外载荷；二是应用MSC.PATRAN NASTRAN，软件建立单桩结构有限元模型，选取两种作业工况，分别确定边界条件及载荷，对桩腿作强度分析。
      计算工况取风浪流同向且方向角为9090时的最危险状态。两种工况如下：风浪流同向船舶正浮状态；考虑起重设备偏载状态。作用在船体上的风载荷按下式进行计算。对于小尺度的结构物，波浪力计算采用Morison公式；对于大尺度结构物(如船体或浮式平台)，波浪载荷可用切片理论或三维势流理论，来进行计算。随着计算机技术及数值计算方法的发展，基于三维势流理论已经开发了很多计算程序，并已被广泛应用于船舶与海洋工程。本船的波浪力计算湿表面模型如图所示，模型由船壳湿表面和地表面至船底之间桩腿外壳组成。船体和桩腿外壳均采用板单元模拟。边界条件为桩腿底部铰支。模型坐标系统采用右手坐标系，坐标原点位于船舰底部中线处，x轴向船舷为正，Y轴向左舷为正，z轴向上为正。本船在横浪时所受波浪载荷的幅值响应算子如图所示。谱峰参数Y=2.8。有义波高为2.3m，平均周期为5.3s，其谱密度曲线见图。从而可得作业状态船舶横浪时波浪载荷的谱密度函数，并计算其方差了。短期预报是指统计时间在半小时到数小时之间海洋结构的响应预报，大量的实践表明，短期海况的波浪幅值与海洋结构物运动响应幅值服从Rayleigh分布。
      强度分析对象为单个独立桩腿，不考虑桩腿之间相互作用的影响。模型中桩腿桩靴外板为shell板单元，板厚为24mm，内侧的加强筋构件beam梁单元截面为26mmx350mm。有限元模型如图所示，风电机组安装船桩腿为独立桩靴形式，正常作业前，桩腿要预压入土，插深一般为3-5m，计算时取桩腿插深为5m。入泥部分桩腿与地基之间存在间隙，因此有限元计算边界条件取桩腿底部为铰支，即固定桩腿底部的节点位移。

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