隨機波浪荷載作用下海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

文 | 陸道輝，楊勇，黃冬明

隨機波浪荷載作用下海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

文 | 陸道輝，楊勇，黃冬明

近年來我國大力發(fā)展海上風(fēng)電，機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海上機組的重要組成部分。由于我國近海風(fēng)電工程場址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，上部土層承載力低，變形大，并易受沖刷影響，故近海機組基礎(chǔ)一般采用樁承式基礎(chǔ)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)是海洋平臺中最常見的樁承式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，在深海石油平臺的建設(shè)中已經(jīng)成熟應(yīng)用。導(dǎo)管架基礎(chǔ)由導(dǎo)管架和樁兩部分組成，其整體性好，承載能力較強，對打樁設(shè)備要求較低，目前已被推廣應(yīng)用于海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)。

海上風(fēng)電機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，在其20年的使用期內(nèi)，長期受到隨機波浪荷載的作用，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此采用有限元法和譜分析法來評估導(dǎo)管架基礎(chǔ)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在隨機波浪荷載作用下的疲勞壽命具有重要意義。

本文針對某3MW海上風(fēng)電機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，建立了精細(xì)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，選取承載力較為復(fù)雜的過渡段關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為研究對象，進(jìn)行了隨機波浪荷載作用下過渡段結(jié)構(gòu)的疲勞強度評估，為海上機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞強度分析提供了一種有效途徑。其中，計算模型充分考慮了主機和塔架等重要機組部件對結(jié)構(gòu)疲勞分析的影響，同時也考慮了結(jié)構(gòu)-樁-土的相互作用。

海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法

本文借鑒海洋工程的經(jīng)驗方法，針對海上風(fēng)電機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，首先采用適用于小尺度構(gòu)件的Morison公式用于波浪載荷的計算，然后采用譜疲勞分析法進(jìn)行隨機波浪荷載作用下的疲勞分析?；舅悸肥窍却_定波浪載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)；然后結(jié)合波浪譜計算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)譜；根據(jù)響應(yīng)譜的統(tǒng)計特性得到應(yīng)力響應(yīng)短期分布，從而計算結(jié)構(gòu)在某一短期海況下的疲勞損傷。最后結(jié)合波浪散布圖以及各浪向的分布概率，根據(jù)Miner線性準(zhǔn)則計算結(jié)構(gòu)在設(shè)計年限內(nèi)總的疲勞損傷。采用譜分析方法計算結(jié)構(gòu)疲勞強度的具體過程如下：

一、應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)和應(yīng)力譜密度函數(shù)

應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)是在線性動力系統(tǒng)做圓頻率為ω的簡諧振動時，響應(yīng)振幅與輸入振幅之比。當(dāng)輸入過程為波浪，響應(yīng)過程為交變應(yīng)力時，傳遞函數(shù)就是結(jié)構(gòu)在圓頻率為ω的規(guī)則簡諧波作用下，應(yīng)力幅值與波幅之比。

由波浪譜密度函數(shù)和應(yīng)力傳遞函數(shù)即可獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜密度函數(shù)：

式中：Sσ（ω）-應(yīng)力譜密度函數(shù)；Hσ（ω）-應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)；Sη（ω）-波浪功率譜密度函數(shù)。

二、某一短期海況的疲勞損傷

假定短期海況中應(yīng)力循環(huán)過程為窄帶高斯分布，該應(yīng)力交變過程的應(yīng)力峰值服從Rayleigh分布，則其概率密度函數(shù)為：

式中：σ-短期Rayleigh分布的方差；S-應(yīng)力范圍。

在隨機波浪載荷作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)的交變應(yīng)力也是隨機過程，則結(jié)構(gòu)在某一浪向、某一短期海況作用下的疲勞累積損傷可用下式表示：

式中：NL-設(shè)計壽命內(nèi)應(yīng)力范圍的總循環(huán)次數(shù)；A、m-指定S-N曲線的參數(shù)。

三、總疲勞損傷計算

在考慮各個浪向的概率以及各浪向下的短期海況，可得總的疲勞累積損傷：

式中：Ps,j－某一海況i的發(fā)生概率；Pd,j－某一浪向j的分布概率。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

本文以某3MW海上風(fēng)電機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為例，分析隨機波浪荷載作用下導(dǎo)管架基礎(chǔ)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在其20年使用期內(nèi)的疲勞損傷。

一、隨機波浪荷載

考慮結(jié)構(gòu)的對稱性以及浪向的隨機性，波浪方向取0°－180°，步長取45°，各波浪方向的概率均勻分布；波浪譜采用P-M譜；結(jié)構(gòu)所處海域水深為11m。選定渤海海域一年的波浪散布圖，對波浪散布圖中的海況進(jìn)行合并，每一種海況用有義波高（Hs）和周期（Tz）來表示，如表1。

二、海上風(fēng)電機組整機模型

整機建模時，根據(jù)設(shè)計圖紙對導(dǎo)管架基礎(chǔ)和塔架進(jìn)行全尺寸的建模；對結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜的主機及葉片，采用集中質(zhì)量點矩陣的形式模擬其整體質(zhì)量分布，簡化建模；過渡段結(jié)構(gòu)是受力較為復(fù)雜的部分，采用殼單元進(jìn)行詳細(xì)模擬，塔架及主體支撐結(jié)構(gòu)等均采用梁單元模擬；為了模擬結(jié)構(gòu)-樁-土的耦合作用，并考慮基礎(chǔ)樁的柔性特點，將樁與土的作用簡化為樁頂處的剛度矩陣，該剛度矩陣通過在樁頂處創(chuàng)建彈簧支撐單元進(jìn)行模擬。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括三部分：過渡段結(jié)構(gòu)、主體支撐結(jié)構(gòu)和彈性支撐。整機模型如圖1所示。

三、熱點疲勞分析

根據(jù)挪威船級社DNV-OS-J101近海風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（以下簡稱“DNV規(guī)范”）的建議方法，在大型焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度分析中，一般采用熱點應(yīng)力法來分析關(guān)鍵部位的疲勞強度。為了準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的熱點應(yīng)力，分別創(chuàng)建海上機組整機結(jié)構(gòu)有限元模型以及疲勞分析關(guān)鍵區(qū)域的局部有限元模型。通過對海上機組整機結(jié)構(gòu)有限元模型的應(yīng)力分析，獲取局部有限元模型應(yīng)力分析的邊界條件。進(jìn)一步對局部模型進(jìn)行應(yīng)力分析，獲得疲勞分析關(guān)鍵區(qū)域的熱點應(yīng)力，從而準(zhǔn)確地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強度分析。根據(jù)DNV規(guī)范建議方法，通常采用t/2和3t/2（t為板厚）的插值方法來計算大型復(fù)雜焊接板結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力。

表1 波浪散布圖

通過建立3MW海上機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體有限元模型（如圖1），并對其進(jìn)行整體強度分析，取過渡段結(jié)構(gòu)（如圖2（a））中最易產(chǎn)生疲勞破壞的斜撐桿為局部有限元模型，

并確定斜撐桿兩端焊接區(qū)域為疲勞分析關(guān)鍵區(qū)域。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，只對其中一個撐桿作為研究對象，如圖2（b）所示。分別計算斜撐桿焊接相貫線上的10個疲勞分析關(guān)鍵點的疲勞累積損傷值，取最大值為過渡段結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷值，如圖3所示。

四、結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算

海上風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計疲勞壽命一般為20年－25年。根據(jù)海上機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所處的海洋環(huán)境、工作狀況等條件，選取DNV規(guī)范中給出的管節(jié)點在空氣中、結(jié)構(gòu)中有陰極腐蝕保護的S-N曲線。過渡段結(jié)構(gòu)所處環(huán)境為大氣區(qū)域，DNV規(guī)范指出大氣區(qū)域的結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計安全系數(shù)取1.0，故以此來評估過渡段結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。結(jié)構(gòu)總的疲勞累積損傷值采用Miner準(zhǔn)則來計算。S-N曲線的基本參數(shù)如表2所示，計算結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，隨機波浪荷載作用下海上機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)過渡段結(jié)構(gòu)累積損傷最大值為0.0047，對應(yīng)的疲勞壽命為213年，大于設(shè)計安全壽命25年，故在隨機波浪荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強度滿足設(shè)計要求。

表2 S-N曲線參數(shù)表

表3 過渡段結(jié)構(gòu)疲勞計算結(jié)果

結(jié)論和展望

（一）針對該海上機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)受力較為復(fù)雜的過渡段結(jié)構(gòu)，熱點應(yīng)力多集中于斜撐焊接相貫線處。在計算結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷值時，可取相貫線上的10個熱點作為疲勞分析關(guān)鍵點，關(guān)鍵點的最大疲勞累積損傷值作為過渡段結(jié)構(gòu)總的疲勞累積損傷值。

（二）根據(jù)給定海域的波浪散布圖，通過計算分析獲得在隨機波浪荷載作用下過渡段結(jié)構(gòu)最大的疲勞累積損傷壽命為213年，大于設(shè)計安全疲勞壽命，過渡段結(jié)構(gòu)疲勞強度滿足設(shè)計要求。

（三）本文計算結(jié)果顯示，隨機波浪荷載對海上機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)過渡段結(jié)構(gòu)的疲勞強度影響較小。除此之外，風(fēng)電機組荷載作為另一種關(guān)鍵荷載對基礎(chǔ)過渡段結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生怎樣的影響，以及如何考慮風(fēng)浪荷載的聯(lián)合作用對基礎(chǔ)過渡段結(jié)構(gòu)疲勞的影響，有待進(jìn)一步的研究。

（作者單位：陸道輝、楊勇、黃冬明，廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團有限公司；黃冬明：華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院）