海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)防碰撞分析及防護(hù)措施探討

文 | 吳永祥 李文通 寧紅超

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)防碰撞分析及防護(hù)措施探討

文 | 吳永祥 李文通 寧紅超

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，陸上可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越少，而海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，長(zhǎng)期在海上惡劣的環(huán)境下工作，不可避免會(huì)遇到各種碰撞問(wèn)題。例如，供應(yīng)船與基礎(chǔ)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)墜物到基礎(chǔ)平臺(tái)和浮冰對(duì)基礎(chǔ)的撞擊等。這些意外事故經(jīng)常使基礎(chǔ)發(fā)生整體彎曲或局部屈曲，結(jié)構(gòu)承載能力降低，直接影響到基礎(chǔ)的安全性和耐久性，甚至可能引起風(fēng)電機(jī)組倒塌等災(zāi)難性后果。

根據(jù)Tebbett《最近五年鋼制平臺(tái)的修理經(jīng)驗(yàn)》中對(duì)世界上100起需要修理的海洋結(jié)構(gòu)物損傷原因進(jìn)行分析得到結(jié)果，約25%的海洋結(jié)構(gòu)物損傷是由于碰撞引起的。根據(jù)英國(guó)HSE機(jī)構(gòu)對(duì)海洋平臺(tái)的損傷調(diào)查，在海洋平臺(tái)發(fā)生損傷的原因調(diào)查中船舶碰撞占11.2%，是主要原因之一。根據(jù)DNV海洋工業(yè)報(bào)告，在挪威北海海域從2001年到2011年十年間共發(fā)生船舶與海洋平臺(tái)碰撞事故26起，其中6起造成嚴(yán)重后果。

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)與海洋平臺(tái)有著類似的結(jié)構(gòu)形式，但是由于海上風(fēng)電機(jī)組處于剛剛起步階段，技術(shù)尚未成熟，對(duì)應(yīng)的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可供參考。本文對(duì)海上基礎(chǔ)與船舶碰撞的研究借鑒了海洋平臺(tái)碰撞方面的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)。基于ANSYS/LS－DYNA軟件，通過(guò)結(jié)構(gòu)模型化及數(shù)值仿真計(jì)算，獲得并分析了船橋碰撞力、能量轉(zhuǎn)換、以及風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)的一般規(guī)律和特點(diǎn)，從而為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、維護(hù)、防撞措施等提供理論上的支持。

船舶與海洋平臺(tái)基礎(chǔ)碰撞理論發(fā)展

早在20世紀(jì)60年代，Minorsky在20多個(gè)船舶與平臺(tái)碰撞事故或者實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析中，得到了撞擊船的動(dòng)能損失量與被撞平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷之間的線性關(guān)系，并以經(jīng)驗(yàn)公式的形式給出。Martin J.Petersen的研究工作也同樣具有代表性，對(duì)二維情況下的碰撞運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析。20世紀(jì)70年代，McDermott等人根據(jù)塑性靜力學(xué)的基本理論和方法對(duì)游輪與平臺(tái)結(jié)構(gòu)的低能碰撞問(wèn)題作了研究。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，Reckling、Minorsky和Yang等人相繼采用有限元技術(shù)對(duì)船舶平臺(tái)碰撞問(wèn)題進(jìn)行了研究分析。20世紀(jì)90年代，Kawamoto及Che和Jang利用顯示非線性分析程序MSC/DYTRAN對(duì)超大型油輪在碰撞中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，采用顯示有限元法（LSDYNA3D）分析撞擊船的船艏和被撞平臺(tái)的結(jié)構(gòu)損傷變形，且計(jì)算中假設(shè)為剛體碰撞。

總之，隨著對(duì)碰撞問(wèn)題的深入研究和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在船舶與海洋平臺(tái)碰撞問(wèn)題上的數(shù)值模擬手段越來(lái)越多，結(jié)果也越來(lái)越可靠。通過(guò)對(duì)以往案例數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和理論推導(dǎo)，分析結(jié)果在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)與維護(hù)方面也起到了越來(lái)越重要的作用。

船舶與海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞模擬方法

一、常用分析方法

由于碰撞區(qū)的變形損傷程度與船舶安全性以及事故后果有直接關(guān)系，因此需要充分重視內(nèi)部碰撞力學(xué)的研究。目前研究?jī)?nèi)部碰撞力學(xué)的方法主要有：統(tǒng)計(jì)分析法、試驗(yàn)法、簡(jiǎn)化分析法和有限元法。

（一）統(tǒng)計(jì)分析法

統(tǒng)計(jì)分析法是將船舶的碰撞問(wèn)題分為相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)損傷和動(dòng)能損失，研究他們之間的關(guān)系，采用完全非線性理論求解碰撞過(guò)程中的動(dòng)能損失，用附連水質(zhì)量來(lái)代替碰撞中水的影響。最后用統(tǒng)計(jì)分析方法將損傷體積和動(dòng)能損失聯(lián)系起來(lái)，建立線性關(guān)系。這種依據(jù)大量相似船型的船舶碰撞數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用很方便，但從成本上考慮顯然是不太現(xiàn)實(shí)。另外，這種方法進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化，精度也不是很高，因此現(xiàn)在應(yīng)用很少。

（二）試驗(yàn)法

對(duì)于比較復(fù)雜的無(wú)法用理論模型來(lái)表達(dá)的問(wèn)題，往往可以通過(guò)試驗(yàn)獲得比較可靠的結(jié)論。在船舶與海洋平臺(tái)碰撞問(wèn)題上，荷蘭、丹麥、德國(guó)、日本等國(guó)的學(xué)者都進(jìn)行了很多模擬碰撞試驗(yàn)，并總結(jié)出了很多具有參考價(jià)值的結(jié)論。

但眾所周知，試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力，且海洋結(jié)構(gòu)物碰撞問(wèn)題本身的強(qiáng)非線性特征和碰撞條件的多樣性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果在實(shí)踐中的應(yīng)用產(chǎn)生很大的局限性，加之海洋結(jié)構(gòu)物的建造非常昂貴，進(jìn)行此類試驗(yàn)往往因耗資巨大而難以實(shí)施，因此這種方法實(shí)施起來(lái)難度很大。

（三）解析法

簡(jiǎn)化分析方法一般研究的是破壞過(guò)程的特點(diǎn)，借助理論公式加以分析計(jì)算，從而為設(shè)計(jì)者提供整體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算工具。這種方法主要基于塑性力學(xué)中的上限理論和一些重要假設(shè)來(lái)分析碰撞問(wèn)題。這些假設(shè)主要來(lái)自對(duì)碰撞事故和試驗(yàn)研究的觀察分析。但往往由于它將碰撞中的船舶做了大量簡(jiǎn)化處理，所以精度相對(duì)較低。

（四）有限元數(shù)值仿真法

數(shù)值仿真法是對(duì)船舶真實(shí)碰撞場(chǎng)景的虛擬再現(xiàn)，借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過(guò)程中的各種物理量都可以作為結(jié)果輸出，可以真實(shí)的模擬碰撞現(xiàn)象，部分代替實(shí)船或者模型的碰撞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“虛擬碰撞”。因此有限元方法是結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)分析的強(qiáng)有力工具，也是研究船舶碰撞問(wèn)題最為有效的方法。

但是目前在工程應(yīng)用中，由于仿真模型的建立需要一定的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和處理技巧，模型的計(jì)算精度并非總是令人滿意，船舶碰撞非線性有限元法用于實(shí)際船舶結(jié)構(gòu)的碰撞分析還沒(méi)有完全成熟，數(shù)值仿真法的結(jié)果仍然需要試驗(yàn)或者其他研究者的計(jì)算結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)。

二、 船舶與海洋平臺(tái)碰撞問(wèn)題的有限元數(shù)值仿真

船舶碰撞的數(shù)值仿真大都采用非線性有限元方法，不僅能夠考慮結(jié)構(gòu)大變形、接觸、材料非線性和結(jié)構(gòu)失效等情況，計(jì)算碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷變形與碰撞力，而且結(jié)合了外部機(jī)理的分析與計(jì)算。

目前常用的三維非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析程序MSC/ Dytran和LS－DYNA等都可以用來(lái)模擬碰撞響應(yīng)，利用顯示或隱式方法求解流體－結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)控制方程，能較好的解決碰撞中的大變形、損傷、接觸、流體動(dòng)力等問(wèn)題。

三、本文分析方法

本文采用兩步分析方法對(duì)船舶與風(fēng)電機(jī)組海上基礎(chǔ)的碰撞進(jìn)行數(shù)值模擬。

根據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，擬采用LS－DYNA和ANSYS軟件進(jìn)行分析。借助ANSYS Workbench軟件與SolidWorks良好的接口和強(qiáng)大的模型前處理功能，對(duì)要分析的船體和風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)格劃分與處理，將生成的有限元模型導(dǎo)入LS－DYNA進(jìn)行剛體碰撞分析并提取所需結(jié)果。最后將碰撞分析結(jié)果作為輸入條件對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)局部詳細(xì)模型進(jìn)行分析，得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損傷。

船舶和風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞有限元分析

一、 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)某風(fēng)電機(jī)組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立六樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型。每個(gè)基礎(chǔ)有6根鋼管樁，結(jié)構(gòu)底面直徑為24m；鋼管樁采用Q345C型鋼材，導(dǎo)管架鋼材為Q345D型，如圖1所示。

假設(shè)撞擊船為5000噸級(jí)，簡(jiǎn)化后型長(zhǎng)20m，型寬16m，型深15m，吃水線5m。計(jì)算模型碰撞區(qū)域采用殼單元建模，對(duì)艏尖艙之后的船體，因其遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域，實(shí)際并不產(chǎn)生變形，僅提供剛度和質(zhì)量影響，故將其省略。

二、有限元模型

根據(jù)簡(jiǎn)化的幾何模型建立有限元模型，為減少計(jì)算時(shí)間和保證結(jié)果精度，本項(xiàng)目中基礎(chǔ)和船體都采用殼單元SHELL163單元建模；并對(duì)所關(guān)心的碰撞區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，得到整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2 和圖3所示。

三、 接觸算法

碰撞構(gòu)件之間的相互作用通過(guò)接觸算法來(lái)完成。在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動(dòng)。

本文使用的是主從面接觸算法，在求解的每一時(shí)間步長(zhǎng)，檢查從屬節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，看它是否已經(jīng)穿透主面，如果還沒(méi)有穿透，則計(jì)算工作不受影響地繼續(xù)進(jìn)行；如果已經(jīng)穿透，則在垂直于主面的方向上施加一個(gè)作用力，以阻止從屬節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步穿透，這個(gè)作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元屬性。

四、分析工況

本項(xiàng)目模擬了多種船艏與基礎(chǔ)碰撞的工況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果總結(jié)規(guī)律，得到分析船與風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞的一般規(guī)律。

（一）約束條件

對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)鋼管樁底部位置進(jìn)行全約束；為保證船艏運(yùn)動(dòng)方向，約束船艏沿豎直方向的自由度。模型約束條件如圖4所示。

（二）分析工況

本項(xiàng)目中根據(jù)船舶的初始速度大小和方向，分別計(jì)算了多種工況的碰撞分析。具體工況如表1所示。無(wú)碰撞防護(hù)措施圖和有碰撞防護(hù)措施圖如圖5、6所示。

五、碰撞分析結(jié)果

本文主要給出了船艏正面以速度V＝4m/s的速度與風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)垂直碰撞的情況，船體與基礎(chǔ)之間無(wú)防護(hù)裝置和有防護(hù)措施兩種情況下的相關(guān)曲線及應(yīng)力云圖，具體計(jì)算結(jié)果如圖7－圖22所示。

（一）無(wú)防護(hù)措施，見(jiàn)圖7－圖14。

（二）有防護(hù)措施，見(jiàn)圖15－圖22。

所有分析工況下，分析結(jié)果列表如表2所示。

從以上分析可以看出，結(jié)構(gòu)吸能、等效應(yīng)力、塑性變形參量隨著船初始動(dòng)能的增加而增加，但是會(huì)由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低，這三個(gè)參數(shù)是衡量風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標(biāo)。因此，在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可以通過(guò)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，有效降低由于船舶等結(jié)構(gòu)碰撞對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響。

圖2 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 局部網(wǎng)格加密

圖4 模型約束條件

表1 船舶初始工況表

圖5 無(wú)碰撞防護(hù)措施

圖6 有碰撞防護(hù)措施

圖7 碰撞力曲線

圖8 速度、位移曲線

圖9 能量曲線

圖10 碰撞加速度曲線

圖11 碰撞過(guò)程最大應(yīng)力云圖

圖12 碰撞后殘余應(yīng)力云圖

圖13 局部應(yīng)力云圖

圖14 局部塑形應(yīng)變?cè)茍D

圖15 碰撞力曲線

圖16 速度、位移曲線

圖17 能量曲線

圖18 碰撞加速度曲線

圖19 碰撞過(guò)程最大應(yīng)力云圖

圖20 碰撞后殘余應(yīng)力云圖

圖21 局部應(yīng)力云圖

圖22 局部塑性應(yīng)變?cè)茍D

表2 船正面碰撞風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)

六、 防護(hù)措施

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生船舶與平臺(tái)碰撞的過(guò)程中，運(yùn)維船只是造成碰撞的主要因素，所以對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，必須充分考慮運(yùn)維船只對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的破壞性影響；通過(guò)以上的分析也可以看到，采取了一定的防護(hù)措施后，基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)受到的作用力會(huì)大大減小，可以減少船舶對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的損壞。目前可用的方法有：在靠船的過(guò)程中，船舶逆流靠近基礎(chǔ)平臺(tái)； 增加橡膠、輪胎等緩沖裝置，減少運(yùn)維船只撞擊力；在基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置、靠船件，減少船舶對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的直接沖擊力等。

結(jié)論

從上面的分析結(jié)果可以得到船與風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞后的響應(yīng)，包括風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所關(guān)心的應(yīng)力、應(yīng)變、加速度、能量等參數(shù)的變化。通過(guò)對(duì)這些結(jié)果參數(shù)的分析比較，可以得到初步結(jié)論如下：

船－風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞的力學(xué)過(guò)程和結(jié)構(gòu)損傷可以用ANSYS/LS_DYNA軟件詳細(xì)模擬，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以作為風(fēng)電機(jī)組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)估的有效依據(jù)。

結(jié)構(gòu)吸能、等效應(yīng)力、塑性變形參量隨著船初始動(dòng)能的增加而增加，但是會(huì)由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低，這三個(gè)參數(shù)是衡量風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標(biāo)。因此，在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可以通過(guò)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，有效降低由于船舶等結(jié)構(gòu)碰撞對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響。

從碰撞分析中還可以提出其他計(jì)算結(jié)果（如碰撞力、碰撞后速度、加速度等參數(shù)曲線），作為局部結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析的輸入條件，可以對(duì)基礎(chǔ)或者船只結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

（作者單位：國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司）