波浪作用下單樁式風機基礎防護設施極限強度研究

高 剛,錢正宏,胡蘇杭

(江蘇海上龍源風力發電有限公司,江蘇 南通 226001)

0 引言

風能是當前能源轉型的重要方向。相較陸上資源,海上風能開發成本更具有優勢[1]。目前,近海風電場大部分采用單樁式基礎海上風機,其數量占比達80%以上[2]。由于海上風場往往與海上航線毗鄰、穿插,極端海況時船舶失控會撞擊風機樁,因此海上風機會在水線附近設計配套的防護設施,以減小損壞。

雖然海上風機防護主要目的是降低船舶撞擊損壞,但船舶撞擊概率低,而波浪載荷對防護設施持續發生作用。因此,防護設施需要夠抵抗撞擊力作用,同時能承受極端環境載荷,其極限強度分析需探究多作用下的最不利工況。YETER等[3]分析了單樁基礎結構非線性有限元分析和實驗所得結果,驗證了數值計算方法的準確性。杜鵬飛等[4]采用API和DNV規范的工作應力設計法,計算單樁基礎風機塔架極限環境載荷下塔架的最小尺寸,并在ANSYS軟件中進行塔架的振動和撓度分析。王國粹等[5]總結水平受荷樁的計算方法,建立樁土分析模型,計算風機單樁在最不利的風浪流和風機載荷下的極限強度。

目前,針對風機防護設施的研究多集中于船舶碰撞性能,鮮有波浪載荷下的安全性能校核。為此,本文針對單樁基礎海上風機的防護設施在波浪載荷下的極限強度進行研究。

1 海上風機防護設施結構設計

1.1 設計原則及主尺度選擇

某海域海上風場平均水深30 m,靠近數條海上航線和漁場,夏季和秋季偶爾有臺風天氣。因來往船只頻繁,風機鋼管樁直徑相比其他3 MW級風機更大。風機鋼管樁與防護設施之間安裝彈性緩沖墊,繞鋼管樁45°角間隔環向布置。

考慮船只碰撞風險及周圍環境因素,防護設施設計應遵循以下原則:

(1)鋼制防護設施依靠結構和內部填充物的變形吸收能量。鋼管樁直徑為6 000～6 400 mm,防護設施內徑被限制為6.4 m,同時為達到足夠的吸能效果,防護設施外徑至少為12 m。

(2)防護設施的直徑過大會影響通航,增加船舶撞擊幾率,且過大的尺寸需要的材料也更多,經濟性差,因此外徑選為12 m。

(3)防護設施的另一個目的是盡快彈開船舶前進方向。圓形容易使船舶轉向,降低撞擊損壞,因此整體形狀做成圓筒形。

(4)單樁基礎海上風機位于近海非港口區域,途徑的船舶多為中小型,吃水較淺?？紤]到各類船首撞擊時的接觸點不同,球鼻艏撞擊位置靠下,而傾斜首撞擊位置靠上,綜上所述將防護設施吃水設計為4 m,干舷高度為2 m。

1.2 結構設計

防護設施為圓筒形。水平板材自上而下分別為上甲板、第二甲板和底板。水平板材均為水密結構,將防護設施分為上下兩部分。設施周向由4道水密橫艙壁隔開,每道艙壁間隔90°,加上第二甲板共將設施分為8個水密艙,見圖1。防護設施的上部艙室主要為保證儲備浮力,下層作為固定壓載艙,由此保障某艙室破損進水的情況下依舊有足夠的浮力支持防護設施漂浮在海面上。

圖1 防護設施示意圖

2 波浪載荷下防護設施極限強度分析

防護設施處于近海,可能會遇到波長與防護設施直徑相等或2倍于直徑的波浪,造成中拱和中垂現象,產生的彎矩使結構薄弱處應力較大。因此,需要對防護設施的極限強度進行校核。

2.1 波浪載荷

海上風機防護設施所處海域的波浪載荷可以通過波浪散布圖描述有效波高和平均跨零周期,以及波浪譜描述波浪的形狀和能量分布。

2.1.1 波浪散布圖

某海域風電場位于西北太平洋波浪統計資料規定的E1海域內[6]。根據全年統計資料,E1海域波浪的有效波高(Hs)、平均跨零周期(Tz)見表1,波浪方向及發生概率見圖2。

表1 E1海域波浪散布圖

圖2 E1海域波浪方向及出現概率分布圖

結構極限強度分析考慮最大波高,目標海域的波浪有義波高和最大波高的關系式如下[7]:

Y1=0.08+1.46x

(1)

式中:Y1為最大波高,m;x為有義波高,m。

波浪散布圖一般統計發生概率大于1%的波高,極限強度計算則需要考慮發生概率低于1%的波浪。

海上風機防護設施所處海域最大波高7.5～9.0 m,常見波浪的平均跨零周期在3.5～10.0 s。根據E1海域的波浪散布圖,計算波浪平均周期,估算25 a使用壽命下的應力循環次數為1.323×109。

2.1.2 波浪譜選取

波浪譜S(ω)的表達式如下[8]:

(2)

式中:A為能量尺度參量;γ為譜峰升高因子;ω為波浪圓頻率;σ為峰形參數;ωm為譜峰頻率,ω≤ωm時,σ=0.07,ω>ωm時,σ=0.09。

對于長江口水域來說,A=0.155,γ=4[8]。

2.2 有限元模型

本文使用GeniE模塊進行防護設施建模、設置邊界條件及導出FEM有限元模型。Wadam模塊計算需要輸入面板模型、結構模型和質量模型3種模型,這3種模型都要在GeniE中完成相應設置并導出成FEM格式。

2.2.1 面板模型

面板模型是GeniE中定義為濕表面屬性的外表面模型,用于計算波浪力。面板模型不需要考慮重力浮力配平,也不需要添加邊界條件,但要保證外殼封閉。首先,在GeniE中繪制外板建模所需曲線,將建立的外板命名為“Hull”,并將“Hull”集下的板材定義濕表面屬性;其次,極限強度計算處理的是結構模型,面板模型的網格密度可以設置得較大,將面板模型的網格密度設置為0.2 m;最后,創建分析活動,生成1級超單元網格并導出。

2.2.2 結構模型

結構模型包含內部詳細的板架結構,以及負載、約束等。質量模型和結構模型可以相同。

建立模型:在GeniE的建模理念中,梁結構被賦予了截面屬性的線段,無法真實表達梁與肘板的連接,本文的所有骨材均使用板模型。通過點線面的順序進行模型建立,將模型的外殼、內部板材和骨架結構分別分類到“Hull”“Inner”“Frame”中。

模型約束:防護設施與風機鋼管樁之間存在緩沖墊,形成彈性約束。在受到波浪力時防護設施只壓縮波浪方向上的3個緩沖墊,因此在模型的內舷側板上從X軸正方向開始,間隔45°依次布置8個彈簧約束,并規定在水平方向,每個浪向的波浪只對當前方向的半圓面內的彈簧產生作用。將模型按8個浪向波浪作用時的不同約束位置,導出0°時波浪作用在橫艙壁和45°波浪時作用在普通肋骨處2種情況的網格文件。因結構對稱、垂直方向上,8個位置彈簧約束的剛度相等。此外,模型不限制旋轉,所有的角約束都為自由。彈簧約束的樣式見圖3。

圖3 浪向角0°時彈簧約束示意圖

2.2.3 質量模型

海上風機基礎防護設施自重123.03 t,固定壓載208.77 t。Sesam軟件無法在水動力模型中使用面載荷,而使用點質量模擬壓載,會在點質量的施加處造成嚴重的應力集中問題。因此,建模時船底板保持厚度不變,密度增大,以此模擬壓載,使自重達到排水量。模型重心為-2.97 m,設計吃水下浮心位置為-2 m。

質量模型將模型結構的總質量、質心、回轉半徑和慣性積等數據輸入到Wadam模塊中。在Sestra模塊進行結構極限強度分析時,結構模型和質量模型使用同一個模型。為保證各面之間網格過渡良好,分析時采用中等大小、尺寸相近的網格密度。一般應力極值點出現在內部的構件中,外殼的網格密度設置為0.15 m,相鄰內板和骨架結構設置為0.1 m;網格數量8萬左右,節點數量約22萬。

3 有限元分析結果

對防護設施在0°浪向和45°浪向條件下進行應力響應分析,在Xtract中進行結果處理和顯示。因Xtract將結果分為靜水壓力下的應力和波浪載荷下的應力,顯示結果時分別顯示僅受波浪載荷、靜水壓力下和疊加后的結果。

3.1 0°浪向條件下應力響應分析

表2～表3匯總了0°浪向外板和骨架結構在靜水壓力和各周期最惡劣波浪下應力的極值,表4為靜水下的應力和波浪下的應力疊加結果。

表2 外殼板在靜水和波浪下的應力極值(0°)

表3 骨架結構在靜水和波浪下的應力極值(0°)

表4 防護設施在0°波浪和靜水下的應力疊加值

3.2 45°浪向條件下應力響應分析

表5～表6匯總了45°浪向防護設施在靜水和各周期惡劣波浪下應力的極值,表7為靜水和波浪下的應力疊加結果。

表5 外殼板在靜水和波浪下的應力極值(45°)

表6 骨架結構在靜水和波浪下的應力極值(45°)

表7 防護設施在45°波浪和靜水下的應力疊加值

當防護設施受到波浪載荷作用時,內部骨架結構的應力大于外殼和內部板材,最大應力位于連接船底橫骨和舷側肋骨的肘板處,為154.21 MPa。其中:在靜水壓力下,內部骨架結構的肘板位置產生的應力大于外殼和內部板材,為37.41 MPa;極端海況下,連接船底橫骨和外線側肋骨的肘板應力值最大,為188.10 MPa。因此,在進行強度校核時要著重校核船底肘板。防護設施的應力極值均在周期為5 s、有義波高5 m的波浪條件下產生,中頻波浪對防護設施最具危險性。45°浪向下,防護設施的應力分布模式和0°浪向工況類似,但是整體應力更高,最大應力高4.56%,其他部分高3.83%～29.22%。最惡劣海況下防護設施的應力最大值為196.68 MPa,低于材料屈服極限,強度滿足要求。

4 結論

(1)圓筒形結構物為對稱結構,各個方向波浪作用下整體應力分布相似。防護設施內部板材和外殼平均應力較小,遠低于內部骨架結構,校核極限強度時應關注內部骨架結構。

(2)最不利海況為:有義波高5 m,周期5 s,波浪的波長約為防護設施直徑的3倍。該海況下連接船底橫骨和舷側肋骨的肘板位置應力最大值為196.68 MPa,低于結構的屈服強度,滿足設計要求。