冰區(qū)海上風(fēng)機基礎(chǔ)的振動分析

王國軍，張大勇，婁春娟，岳前進，羅成喜

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023； 2.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221；3.中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院，長沙 410014)

冰區(qū)海上風(fēng)機基礎(chǔ)的振動分析

王國軍1，張大勇2，婁春娟2，岳前進2，羅成喜3

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023； 2.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221；3.中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院，長沙 410014)

摘要：為了能夠明確冰區(qū)風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗冰性能及抗冰設(shè)計的合理性，基于多年冰與結(jié)構(gòu)現(xiàn)場觀測及冰荷載的研究成果，明確適合于海上風(fēng)電基礎(chǔ)的冰荷載模型；采用ANSYS有限元數(shù)值模擬方法，選取擬建在渤海的風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，分析典型冰況下該類結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)，并與風(fēng)振響應(yīng)相比對。結(jié)果表明，冰荷載和風(fēng)荷載是冰區(qū)風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制荷載，并且冰激振動較為顯著。因此，冰區(qū)風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)當(dāng)考慮冰荷載的影響。

關(guān)鍵詞：冰區(qū)；風(fēng)機基礎(chǔ)；冰荷載；冰激振動

海上的風(fēng)有其獨特的特點，主要是風(fēng)速和風(fēng)向比較穩(wěn)定，風(fēng)能儲備比較大，對于環(huán)境的負面影響較小，具有高風(fēng)速、低湍流、高產(chǎn)出特點[1]，總體風(fēng)況要優(yōu)于陸地。近幾年我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2013年，我國風(fēng)電發(fā)電量達到1 400億kW·h，超過核電，成為我國第三大電力供應(yīng)源[2]。

在結(jié)冰海域設(shè)計和建造的風(fēng)電基礎(chǔ)及升壓站結(jié)構(gòu)必須具備一定的抗冰性能，確保結(jié)構(gòu)的冬季安全運行。在結(jié)冰海域，海冰在潮流與風(fēng)的作用下發(fā)生漂移，會與結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用。實踐中發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)結(jié)冰海域，冰對海洋結(jié)構(gòu)的作用，要遠比波浪和風(fēng)的影響大得多，冰荷載是結(jié)冰海域海洋結(jié)構(gòu)物的控制荷載，從已有的寒區(qū)海上結(jié)構(gòu)的歷史來看，發(fā)生過多起海冰引起結(jié)構(gòu)破壞的事故，例如，1963年，美國庫克灣兩座簡易平臺被冰推倒[3]，2000年1月，渤海遼東灣某油氣平臺在海冰作用下發(fā)生劇烈的振動，造成井口排空管線斷裂，法蘭松動，平臺被迫停產(chǎn)。對于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)目前的規(guī)范及一些研究主要是對風(fēng)浪流，以及地震進行的分析，對于冰區(qū)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)面臨的冰荷載目前沒有此類規(guī)范，這方面的研究也較少。海上風(fēng)電基礎(chǔ)有單樁和多樁形式，多樁基礎(chǔ)類似于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于風(fēng)機基礎(chǔ)水面處的結(jié)構(gòu)直徑在4～5 m，而導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)一般在2 m左右，風(fēng)機水面以上結(jié)構(gòu)大約在80 m以上，而導(dǎo)管架平臺一般在20 m左右，風(fēng)機結(jié)構(gòu)更偏柔性。從冰與結(jié)構(gòu)相互作用分析，可將結(jié)構(gòu)分為窄體結(jié)構(gòu)和寬體結(jié)構(gòu)。冰破碎時不易在結(jié)構(gòu)前發(fā)生堆積，冰在結(jié)構(gòu)處發(fā)生破碎時，存在同時破碎現(xiàn)象，則認為此類結(jié)構(gòu)為窄體結(jié)構(gòu)。從風(fēng)電基礎(chǔ)分析來看，屬于窄體結(jié)構(gòu)。對冰區(qū)窄體結(jié)構(gòu)的冰荷載進行的研究總結(jié)出了海冰與窄體結(jié)構(gòu)相互作用的冰荷載模型和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點[4-6]。但這些研究主要集中在海洋石油平臺的抗冰設(shè)計上。

對于在渤海地區(qū)建立風(fēng)電場面臨的海冰荷載需要深入研究。本文通過海上風(fēng)機面臨的一般動荷載，以及渤海海上石油平臺面臨的動冰荷載情況[7-8]分析冰區(qū)海上風(fēng)機基礎(chǔ)可能面臨的動荷載情況，并通過數(shù)值模擬的方法分析風(fēng)機在這些動荷載作用下的響應(yīng)。

1風(fēng)機動荷載模型

對于冰區(qū)海上結(jié)構(gòu)所面臨的動力荷載主要有風(fēng)、波浪，以及冰。由于目前海上風(fēng)電場多建立在無冰區(qū)，未考慮過海冰對風(fēng)電基礎(chǔ)的影響情況。從已有的寒區(qū)平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看[9]，動冰力能夠引起海上結(jié)構(gòu)較大的響應(yīng)。因此，要在冰區(qū)建立海上風(fēng)電場，需要分析風(fēng)、波浪，以及冰等動力荷載對風(fēng)機的作用。

1.1風(fēng)荷載

在風(fēng)的時程曲線中，瞬時風(fēng)速是由平均風(fēng)和脈動風(fēng)組成，脈動風(fēng)周期較短，其作用性質(zhì)完全為動力。因此，結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載可以分為靜風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載進行分析。脈動風(fēng)荷載可以由脈動風(fēng)速譜計算得到。

脈動風(fēng)速用來描述風(fēng)速的一個隨機特性，風(fēng)速的大小隨著時間在不斷的變化。假定風(fēng)速隨時間是一個隨機正態(tài)分布。A.G.Davenport等[10]根據(jù)不同地區(qū)，不同高度實測的風(fēng)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立了一種不隨高度變化的風(fēng)速譜：

(1)

(2)

由于地面摩擦的影響，平均風(fēng)速在越接近地面的地方越小，A. G. Davenport等根據(jù)實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)提出了下式，來描述風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律。

(3)

當(dāng)結(jié)構(gòu)上某點的脈動風(fēng)壓達到最大值時,與該點有一定距離的另一點的脈動風(fēng)壓一般不會同時達到最大值。在一定的范圍內(nèi)，離該點越遠，脈動風(fēng)壓同時達到最大值的可能性越小，這種性質(zhì)稱為脈動風(fēng)的空間相關(guān)性，空間上任意2點的脈動風(fēng)都具有相關(guān)性，可以利用互譜密度函數(shù)來表示任意2點的相關(guān)性。

(4)

式中：S(f)ii、S(f)jj分別為i、j兩點的功率譜密度函數(shù)；φ(i,j,f)為相干函數(shù)，對于三維問題有如下形式[10]：

(5)

為了模擬風(fēng)荷載的時程，需要確定風(fēng)速的時程，采用線性濾波法[11]來建立風(fēng)速時程，計算風(fēng)荷載時程。

1.2動冰荷載模型

直立結(jié)構(gòu)是冰區(qū)最早出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式，冰與直立結(jié)構(gòu)作用的根本問題在于冰的物理力學(xué)行為，以及冰與直立結(jié)構(gòu)作用發(fā)生破碎過程。通過對試驗現(xiàn)象的觀察及對試驗數(shù)據(jù)的分析，針對工程應(yīng)用的冰荷載，冰激振動研究取得了較大進展。有學(xué)者分析各自試驗中得到的冰荷載數(shù)據(jù)，提出了直立結(jié)構(gòu)上的冰荷載應(yīng)該根據(jù)冰破碎模式不同分別進行分析的思想[12-14]。通過對不同冰速下的冰與結(jié)構(gòu)作用監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冰與結(jié)構(gòu)相互作用的速度增加到一定程度時，冰的破碎頻率和結(jié)構(gòu)的振動產(chǎn)生耦合。結(jié)構(gòu)在與其基頻相同頻率的冰力作用下發(fā)生類似簡諧形式的穩(wěn)態(tài)振動。冰力又反過來被結(jié)構(gòu)振動控制，形成頻率與振動頻率一致的鋸齒形冰力。

當(dāng)冰與結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動時，結(jié)構(gòu)的振幅較大，持續(xù)時間較長。圖1是實測的冰致自激振動過程中，冰力和結(jié)構(gòu)振動位移的同步耦合時程曲線，其中鋸齒狀的是冰力時程，光滑曲線是結(jié)構(gòu)的振動位移，從圖中可以看出結(jié)構(gòu)振動與冰荷載發(fā)生同步響應(yīng)。

圖1　冰激穩(wěn)態(tài)振動時冰力和結(jié)構(gòu)振動位移的耦合時程曲線

為了能夠分析穩(wěn)態(tài)振動時冰對直立結(jié)構(gòu)的冰力時程，T. K?rn?[12]根據(jù)渤海實測的自激振動冰力時程，給出了簡化的三角波時域函數(shù)(見圖2)，表征產(chǎn)生自激振動的冰力隨時間的變化特征。

圖2　簡化的穩(wěn)態(tài)冰力時程

Fmax是冰力最大值，可保守取為極值靜冰力，

(5)

式中：K為冰力系數(shù)，根據(jù)渤海地區(qū)的實測數(shù)據(jù)分析得到渤海建議取值0.8；σc為海冰的單軸壓縮強度，MPa；D為海冰與結(jié)構(gòu)的接觸寬度，m；h為海冰的厚度，m。

ΔF=qFmax，q=0.1～0.5，本文選取0.4；Fmean是冰力平均值，可通過Fmax-ΔF/2計算；T為冰力周期，計算中可近似取為結(jié)構(gòu)固有周期；α是加載階段系數(shù)，通常選取0.6～0.9，本文取0.8。

從渤海地區(qū)多年的實測數(shù)據(jù)分析來看，結(jié)構(gòu)在冰激穩(wěn)態(tài)振動時，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)最劇烈，因此分析結(jié)構(gòu)冰激穩(wěn)態(tài)振動下的響應(yīng)，可以校核結(jié)構(gòu)在動冰力荷載下的最大響應(yīng)情況。

2基于數(shù)值模擬的風(fēng)機動荷載分析

以渤海地區(qū)擬建風(fēng)電基礎(chǔ)為例，分析結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和動冰荷載作用下的響應(yīng)情況，確定海冰是否對風(fēng)機結(jié)構(gòu)響應(yīng)起到控制作用。利用ANSYS有限元軟件建立風(fēng)機模型，風(fēng)機結(jié)構(gòu)采用shell181單元，風(fēng)機基礎(chǔ)為三樁形式，采用6倍樁徑法建立風(fēng)機泥面以下基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖3。

圖3　風(fēng)機三樁基礎(chǔ)模型

模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)前4階頻率，見表1。

表1　風(fēng)機前4階頻率　Hz

分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基頻為0.34 Hz，渤海導(dǎo)管架平臺的基頻為1～2 Hz，結(jié)構(gòu)的前3階均是X方向振動、Y方向振動、Z方向扭轉(zhuǎn)。風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的柔度相比導(dǎo)管架平臺更大。

2.1風(fēng)荷載作用下風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的振動分析

通過選取風(fēng)機上不同位置的7個點(見表2)，利用脈動風(fēng)的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB建立風(fēng)機各點的風(fēng)速時程。

表2　風(fēng)速模擬點位置

選取50年一遇的風(fēng)速為平均風(fēng)速25 m/s，分析結(jié)構(gòu)在極端工況下的振動響應(yīng)。根據(jù)風(fēng)速譜計算出風(fēng)機不同點在200 s內(nèi)的風(fēng)速值，其中塔筒70 m處和風(fēng)機葉片上的風(fēng)速時程曲線如圖4、5所示，利用風(fēng)速可計算到相應(yīng)的等效風(fēng)荷載時程。從圖4、5可以看出，風(fēng)速具有隨機性。因此，作用在結(jié)構(gòu)上時，風(fēng)荷載也是一個隨機荷載。

圖4　風(fēng)機4號點的風(fēng)速時程曲線

圖5　風(fēng)機葉片5號點的風(fēng)速時程曲線

圖6　風(fēng)機輪轂處的加速度響應(yīng)曲線

圖7　風(fēng)機基礎(chǔ)頂部的加速度響應(yīng)曲線

基于ANSYS瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到風(fēng)機輪轂及基礎(chǔ)頂部的加速度和位移響應(yīng)。由圖6、7發(fā)現(xiàn)，在前20 s結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)較大，并且呈現(xiàn)遞減的趨勢，在20 s以后結(jié)構(gòu)的振動趨于較小隨機振動，這是由于風(fēng)速是一個隨機的過程，風(fēng)振頻率與結(jié)構(gòu)的頻率不在一個范圍內(nèi)，風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)振動是一個隨機振動。風(fēng)機輪轂處最大的振動加速響應(yīng)在±750 mm/s2，20 s以后的振動加速響為±200 mm/s2內(nèi)的隨機振動(見圖6)，位移響應(yīng)振幅在120 mm內(nèi)。風(fēng)機基礎(chǔ)頂部的振動加速度響應(yīng)為±12.5 mm/s2(見圖7)。從結(jié)構(gòu)的風(fēng)振情況分析來看，結(jié)構(gòu)的振動在一個合理范圍內(nèi)。

2.2動冰荷載下風(fēng)電基礎(chǔ)振動分析

冰激穩(wěn)態(tài)振動是動冰荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)最強烈的情況。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生冰激穩(wěn)態(tài)振動時，結(jié)構(gòu)的振幅和加速響應(yīng)都較大。選取50年一遇的冰況，其中海冰壓縮強度為2.0 MPa，海冰厚度為0.3 m。通過ANSYS中瞬態(tài)分析得到風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在冰激振動下的響應(yīng)，見圖8、9。

圖8　穩(wěn)態(tài)振動下風(fēng)機輪轂處的加速度響應(yīng)曲線

圖9　穩(wěn)態(tài)振動下風(fēng)機基礎(chǔ)應(yīng)力響應(yīng)曲線

分析發(fā)現(xiàn)，海冰能引起風(fēng)機結(jié)構(gòu)強烈的穩(wěn)態(tài)振動。風(fēng)機輪轂處的加速度響應(yīng)達到900 mm/s2(見圖8)，并且結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)振動持續(xù)時間較長，對風(fēng)機的上部結(jié)構(gòu)安全有巨大影響。主要原因是海冰的破碎頻率鎖定在結(jié)構(gòu)的固有頻率上，引起了結(jié)構(gòu)的振動增強。風(fēng)機輪轂處的位移響應(yīng)幅值為400 mm，較風(fēng)荷載顯著增大。冰振下風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力曲線見圖9，應(yīng)力幅值達到45 MPa，長時間的冰激振動可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，需要開展冰振結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及壽命估計。

風(fēng)電基礎(chǔ)在海風(fēng)與海冰作用下結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的對比見表3，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機輪轂處的振動響應(yīng)比較大，風(fēng)振下結(jié)構(gòu)振動的持續(xù)時間較短，而冰激結(jié)構(gòu)振動持續(xù)時間較長，振動幅值與結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力比較顯著?？梢?，冰激振動是結(jié)冰海域風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計校核中的主要控制荷載，寒區(qū)風(fēng)電場的建設(shè)需要重點考慮海冰荷載對風(fēng)機結(jié)構(gòu)的影響。

表3　風(fēng)機在風(fēng)荷載與冰荷載下振動響應(yīng)對比

3結(jié)論

1) 分析冰區(qū)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的振動問題，認為風(fēng)機的振動失效模式可以通過分析冰激穩(wěn)態(tài)振動進行校核。

2) 冰區(qū)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)設(shè)計時可根據(jù)冰激穩(wěn)態(tài)振動分析方法，通過確定風(fēng)機上部設(shè)備的失效加速度，校核冰振下風(fēng)機結(jié)構(gòu)的振動加速度是否合理，以確保結(jié)構(gòu)更加安全。

3) 通過提取穩(wěn)態(tài)振動下結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力，為結(jié)構(gòu)的冰振疲勞失效分析提供初步的判斷。

冰激振動能夠引起風(fēng)機結(jié)構(gòu)劇烈的穩(wěn)態(tài)振動，通過對比風(fēng)機結(jié)構(gòu)在風(fēng)振下響應(yīng)與冰激穩(wěn)態(tài)振動下的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)極端工況下冰激振動明顯大于風(fēng)振響應(yīng)?；诒疚牡难芯堪l(fā)現(xiàn)，冰區(qū)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗冰設(shè)計可以考慮如下幾點。

1) 冰區(qū)風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以海冰為主要控制荷載，采取合理的冰力模型。

2) 風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)柔度較大，冰激上部電機振動顯著，應(yīng)滿足電機及附屬設(shè)備的正常運行要求。

3) 冰激風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力顯著，還需開展詳細的疲勞損傷及壽命估計。

4) 平臺樁腿處安裝抗冰錐體是提高結(jié)構(gòu)抗冰性能的有效措施。

5) 為了降低平臺的冰振，保護上部設(shè)施的安全，可以采取冰振控制措施。

海上風(fēng)力發(fā)電屬于國家新型能源行業(yè)，經(jīng)濟性是首要問題。因此，對于冰區(qū)海上風(fēng)電開發(fā)，應(yīng)該合理考慮結(jié)構(gòu)的工程優(yōu)化，包括選型優(yōu)化、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化及控制優(yōu)化設(shè)計。

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Vibration Analysis of Offshore Wind Turbine Foundation in Ice Zone

WANG Guo-jun1, ZHANG Da-yong2, LOU Chun-juan2, YUE Qian-jin2, LUO Cheng-xi3

(1 College of Ocean and Civil Engineering, Dalian Ocean University, Dalian Liaoning 116023, China;2 School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin Liaoning 124221, China;3 HydroChina Zhongnan Engineering Corporation, Changsha 410014, China)

Abstract:For offshore wind turbine foundation in ice region, there are less researches, and there is also no ice resistant design specification. The impact of sea ice on the wind turbine foundation is unknown Based on the research results of ice observation and the interaction between ice and structure, it is clear that the ice load model is suitable for offshore wind power. Using the finite element method with ANSYS, the ice induced vibration response of the structure is analyzed and compared with the wind vibration response. The results show that the ice load and wind load is the control load for ice region offshore wind turbine foundation design and check, and it also show that ice induced vibration is significant. So the influence of ice load should be considered in the design of wind turbine foundation in ice region.

Key words:ice region; wind turbine foundation; ice load; ice induced vibration

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.025

收稿日期：2015-12-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51309046)；國家海洋公益性行業(yè)專項項目(201505019)；中國電力建設(shè)集團有限公司科技專項項目(SD2013-11)；基本科研業(yè)務(wù)費專項(DUT15RC(3)047)；國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室開放基金(LOMFB06)

第一作者簡介：王國軍(1989—)，男，碩士生 E-mail:594683891@qq.com

中圖分類號：U661.44

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0109-05

修回日期：2016-01-23

研究方向:海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)設(shè)計分析