基于AQWA的Spar基礎運動響應分析

呂　慧， 范　可， 郭夢圓， 陳　達

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院， 南京 210098； 2.上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

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基于AQWA的Spar基礎運動響應分析

呂慧1， 范可2， 郭夢圓1， 陳達1

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院， 南京 210098； 2.上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

通過ANSYS有限元軟件建立Spar基礎結(jié)構(gòu)模型，運用AWQA軟件進行環(huán)境荷載下基礎的運動響應時域分析，得到了波浪、波流耦合及風浪流聯(lián)合作用下基礎運動響應時域曲線。研究表明：波浪荷載是基礎運動響應的主導荷載；波高對基礎縱蕩和垂蕩運動響應影響顯著，入射角對基礎縱蕩、縱搖運動響應影響顯著。研究結(jié)果為Spar基礎在特定環(huán)境條件下的選址及應用提供了參考。

Spar基礎；時域；運動響應；AQWA

0　引言

近年來，隨著全球氣候變暖、環(huán)境污染嚴重，海上風能作為一種綠色、清潔、可再生的能源，其應用和發(fā)展將成為全球性趨勢[1]。Spar基礎作為海上浮式基礎的一種，具有靈活性高、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性好的特點。國外，T.Utsunomiya[2]以1:22.5的比例建立了Spar風電基礎的物理模型，驗證了數(shù)模的可行性。然而，目前國內(nèi)大多針對半潛式平臺和張力腿平臺[3-6]進行研究，未有Spar結(jié)構(gòu)的工程實例，研究多處于概念性階段，且研究對象多為平臺，對基礎的研究很少。李溢涵[7]用Wadam軟件計算了Spar基礎的波浪力和水動力系數(shù)，研究了波浪入射角和水深對基礎運動響應的影響，結(jié)果表明波面升高對基礎運動性能有重要影響。于海龍[8]以Nansen Spar平臺為例，用ANSYS對模型進行了動力響應研究，表明平臺的垂蕩運動影響最大。李夢陽[9]對Spar基礎進行了水動力計算和系泊系統(tǒng)的設計。綜上所述，對Spar基礎開展數(shù)值模擬及進行環(huán)境荷載作用下運動特性的研究很有必要，可為Spar基礎在特定環(huán)境條件下的選址及應用提供參考。

1　有限元模型

1.1結(jié)構(gòu)的基本尺度

圖1　Spar基礎結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　Spar基礎結(jié)構(gòu)有限元模型

由于我國的海上風電浮式基礎研究處于起步階段，不宜選擇裝機容量過大的風電機組，故該文采用VESTAS公司V112-3MW風機為參考機型。海上風電Spar基礎共分為5部分，分別為風機塔架、浮體、垂蕩板、立管和軟艙，Spar基礎結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。海底采用8根吸力錨集中式布置，分為4簇，每簇2根，相鄰簇間夾角為90°，錨鏈長度170 m，斷裂強度為9 250 kN。

Spar基礎的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1　Spar基礎的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2有限元模型的建立

采用ANSYS有限元軟件建立海上風電Spar基礎的有限元模型，如圖2所示。將模型劃分網(wǎng)格后導入AQWA軟件中進行運算[10]。模型中立管采用pipe59單元，pipe59單元是一種可以承受拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲荷載作用的單軸彈性直管單元，能夠有效模擬海洋結(jié)構(gòu)上的波浪和海流作用，并可根據(jù)需要選擇波浪理論和海流速度。其他采用shell63單元，shell63單元為板殼單元，可以模擬板殼的平面膜應力和平面彎曲。模型共劃分網(wǎng)格4 388個,由于AQWA軟件不考慮模型水面線以上部分除重力外的受力影響，且所有網(wǎng)格數(shù)目不得超過18 000個，故水面線以上模型采用粗網(wǎng)格劃分。經(jīng)過試算，增加水面線以下網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果影響不大，且收斂速度慢，計算時間長，故該文模型網(wǎng)格數(shù)目最終確定為4 388個。

2　環(huán)境荷載的確定

海上風電浮式基礎的環(huán)境荷載主要有波浪、風和海流荷載，該文對Spar基礎施加了波浪、波流耦合及風浪流聯(lián)合荷載，進行了不同海況下基礎的運動響應時域分析。其中波浪荷載采用深水微幅波理論[11]，運用Morison方程進行計算，風荷載及海流荷載通過規(guī)范確定[12]。參考蘇格蘭北部設德蘭群島(61°20′N,0°0′E)水深160 m處針對風電基礎結(jié)構(gòu)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了13年共37 992個風浪聯(lián)合作用的樣本。風荷載樣本指10 m高度下10分鐘平均風速v，選取具有研究規(guī)律的11組數(shù)據(jù)作為設計海況參考值[13]，參數(shù)見表2。

表2　風、浪、流荷載作用參數(shù)

3　結(jié)果分析

Spar基礎一共有六個自由度，分別為縱蕩、橫蕩、垂蕩、艏搖、縱搖和橫搖。由于基礎的對稱性，故該文只考慮環(huán)境荷載作用下基礎的縱蕩、垂蕩和縱搖運動響應。

3.1波浪荷載對基礎的運動響應時域分析

采用表2中的波浪荷載對Spar基礎進行波浪荷載模擬，得到基礎的運動響應見表3。

表3　波浪荷載作用下的基礎運動響應

由表3可知：隨著波浪荷載的增大，基礎縱蕩、垂蕩和縱搖運動的偏移量都有了相應的增長。由于海況11中的波浪荷載較其他10種海況大，引起的基礎各自由度上的偏移量最大?？v蕩運動偏移量隨著波浪荷載的增加較均勻地增長，垂蕩偏移量的增長速度隨著波浪荷載的增加逐漸加快。在海況1～9中，縱搖瞬間最大偏移基本保持一致，為6.4 m、6.5 m，這可能是因為在荷載增加到一定程度前，固定壓載產(chǎn)生的回復力能有效保證基礎穩(wěn)定性，減小基礎搖晃，使得縱搖最大偏移量基本保持不變。

取海況1與海況10進行比較，縱蕩、垂蕩和縱搖穩(wěn)定偏移量增率(即海況10與海況1穩(wěn)定偏移量之差/海況10穩(wěn)定偏移量)分別為0.450、0.734、0.275，由此可見波浪荷載對基礎的垂蕩運動響應最明顯，對縱蕩運動響應較大，對縱搖運動響應最弱，這可能是隨著波高的增大，海水表面起伏較大，基礎的垂蕩運動響應增大。

3.1.1波浪波高對基礎結(jié)構(gòu)的運動響應分析

考慮相同波周期，相同波浪入射角，不同波高的波浪對基礎結(jié)構(gòu)的影響。選取表2中周期為13.4 s的五組(海況4、5、7、8、9)波浪數(shù)據(jù)進行分析，得到波高與基礎運動偏移量曲線。

圖3是不同波高下基礎在縱蕩、垂蕩、縱搖上的運動響應。由圖3(1)可知：基礎的縱蕩穩(wěn)定偏移量隨波高的增大而增大，且基本呈線性關系，最大偏移量隨著波高的增大而增速漸緩。由圖3(2)可知：基礎的垂蕩穩(wěn)定偏移量和最大偏移量都隨波高的增大而增大，且兩者增幅一致。由圖3(3)可知：基礎的縱搖穩(wěn)定偏移量和最大偏移量隨波高的增加有小幅增大，但增幅平緩，較縱蕩和垂蕩小?？梢姴ǜ邔A縱蕩和垂蕩運動的響應比縱搖大。這可能是由于波高的增加主要為波幅在垂直方向的增加，所以其對基礎的縱蕩和垂蕩運動響應顯著，而對基礎偏轉(zhuǎn)角度的影響較小。

圖3　不同波高下基礎的運動響應

3.1.2波浪入射角對基礎結(jié)構(gòu)的運動響應分析

由于常波浪和強波浪對基礎不同位置作用程度不同，以任一錨鏈在水平面的投影為參考坐標，采用表2中海況6的波浪荷載。選取入射角分別為0°、30°、60°和90°的波浪作用在基礎上，分析在三個自由度上基礎的運動響應。

圖4～圖6分別是波浪以四個不同入射角作用下基礎在縱蕩、垂蕩、縱搖方向上的運動響應。

由圖4可知：在入射角為0°、30°、60°、90°情況下，基礎縱蕩穩(wěn)定后偏移量分別為3.3 m、2.8 m、2.5 m、3.0 m，基礎縱蕩運動響應隨著波浪入射角的增大先減小后增大，并在60°附近達到極小值。由圖5可知：當入射角由小到大時，基礎垂蕩穩(wěn)定后偏移量分別為1.43 m、1.15 m、1.11 m、1.30 m，基礎垂蕩偏移量在30°和60°時都很小，可推測在30°～60°之間有基礎垂蕩偏移量的極小值。由圖6可知：當入射角由小到大時，基礎縱搖穩(wěn)定后偏移量分別為5.9°、4.8°、5.1°、5.5°，縱搖運動響應隨入射角的增大先減小后增大。綜上所述，基礎在60°時縱蕩和垂蕩運動響應最小，在30°時縱搖運動響應最小?；A縱蕩與縱搖穩(wěn)定后的偏移量在不同入射角下均相差較大，可見縱蕩、縱搖運動受波浪入射角的影響明顯。

圖4　不同入射角下基礎縱蕩運動響應

圖5　不同入射角下基礎垂蕩運動響應

圖6　不同入射角下基礎縱搖運動響應

3.2Spar基礎波流耦合運動響應分析

對海況3、6、9所示的波流荷載組合作用下基礎的運動偏移和單錨緊張力進行分析，結(jié)果見表4。

表4　波流荷載作用下基礎響應

由表4可知：在海況3與海況9下，基礎縱蕩、垂蕩和縱搖穩(wěn)定偏移量增率為0.289、0.596、0.130，瞬時最大偏移量增率分別為0.143、0.531、0.03，隨著荷載的增大，基礎三個自由度上偏移量均有增加，但是波流耦合作用對垂蕩運動響應更為明顯。

對比表3、表4中設計海況3、6、9荷載作用下的基礎響應可知：波流耦合作用下與波浪單獨作用下縱蕩穩(wěn)定和瞬時最大偏移量均未發(fā)生變化，說明波流耦合對基礎縱蕩運動的影響與波浪單獨作用時相差不大。而波流耦合與波浪作用下的垂蕩瞬時最大偏移的差值隨著荷載的增大而增幅較小。波流荷載對縱搖運動影響較小，甚至在設計海況6下，縱搖穩(wěn)定偏移量較波浪荷載單獨作用時更小，這可能是波流耦合作用改變了波浪荷載周期，在這個新周期下基礎的縱搖自由運動幅值響應算子(RAO)減小。

3.3Spar基礎風浪流聯(lián)合作用下運動響應分析

為研究Spar基礎在真實海況下的運動特性，要研究基礎結(jié)構(gòu)在風、浪、流聯(lián)合作用下的運動響應。采用表2所示的風、浪、流荷載參數(shù)，對荷載聯(lián)合作用下基礎的運動偏移和單錨緊張力進行分析，結(jié)果見表5。

由表5可知：比較海況1和10，縱蕩、垂蕩和縱搖穩(wěn)定偏移量增率分別為0.429、0.726、0.268，瞬時最大偏移量增率分別為0.156、0.708、0.241。由此可知，在風浪流聯(lián)合作用下，垂蕩偏移量增幅較縱蕩和縱搖的更大。荷載較小時，縱蕩瞬間最大偏移量的增長速度比穩(wěn)定偏移量??；對于垂蕩和縱搖運動，兩者增長速度比較接近。隨著荷載的增大，垂蕩偏移量逐漸增大，但主要在海況6之后較明顯，而在某些荷載作用下反而減小(如海況7)。這可能是因為風浪流聯(lián)合作用下改變了原有的波浪荷載周期，在新周期下，幅值響應算子變小，垂蕩運動振幅減??；荷載很大時(如海況11)，垂蕩運動響應的增幅尤其明顯，表明風浪流聯(lián)合作用在荷載較大時對垂蕩運動響應影響顯著。隨著荷載的增大，基礎縱搖穩(wěn)定偏移量增幅小，瞬間最大偏移量基本不變，表明風浪流聯(lián)合作用下縱搖方向穩(wěn)定性好。另外，錨鏈緊張力也隨荷載的增大而增大，最大值為5 890 kN，而錨鏈斷裂承載力為9 250 kN，故其值均在允許緊張力范圍內(nèi)。

表5　風浪流作用下基礎響應

對比表3、表4和表5中設計海況3、6、9荷載作用下的基礎響應。風浪流聯(lián)合作用、波流耦合作用以及波浪單獨作用下基礎各自由度上的運動響應變化不大，表明基礎運動響應受波浪荷載影響最大。

4　結(jié)論

針對不同海況下基礎在縱蕩，垂蕩和縱搖上的運動響應進行分析，得出以下結(jié)論，為Spar基礎在工程上的應用提供參考。

(1) 波浪荷載是基礎運動響應的主導荷載。波浪荷載作用下，基礎的垂蕩運動響應最為明顯，縱搖運動響應最弱?；A的運動響應隨波高的增大而增大，其中縱蕩和垂蕩運動響應比縱搖運動響應受波高影響大；不同波浪入射角對基礎各個運動響應的影響不同，縱蕩、縱搖運動受波浪入射角的影響明顯。入射角為60°時，基礎縱蕩和垂蕩運動響應最??；入射角為30°時，基礎的縱搖運動響應最小。

(2) 基礎的垂蕩運動響應受波流荷載作用變化較明顯，但響應程度小于縱蕩運動?？v蕩運動響應與波浪單獨作用時相差不大，縱搖瞬間最大偏移量受荷載影響較小，這可能與波流荷載周期的改變有關。

(3) 風浪流聯(lián)合作用下，基礎的運動響應隨荷載的增大而增大，但在荷載較小時，縱搖運動響應受風浪流荷載影響較小。

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Study on Motion Response of Spar Foundation Based on AWQA

(1.College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering Hehai University, Nanjing 210098, China;2.Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd, Shanghai 200434, China)

The motion response of Spar offshore wind turbine under environmental loads was studied. A model of the Spar floating foundation was established by ANSYS. And then, with AWQA, time domain analysis of motion response under environmental loads were carried out. According to the analysis, some results were obtained, including the time domain curve for motion response of floating foundation under wave load, wave-current coupling load and joint action of wind, current and wave. The research shows that wave load is the leading factor on motion response of floating foundation. It also shows that wave height has great impact on motion response of surge and heave, while incident angle of wave has obvious influence on surge and pitch motion response. It provides a reference for site selection under specific environmental conditions and the application of Spar floating foundation.

Spar offshore wind turbine; time domain; motion responses; AQWA

2015-01-25

上海市自然科學基金項目(14ZR1427500)，上海市科委科技攻關計劃項目(13dz1202204)。

呂慧(1992-)，女，碩士研究生。

1001-4500(2016)04-0073-07

P751

A