風(fēng)電安裝平臺(tái)環(huán)境圖譜計(jì)算軟件應(yīng)用分析

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(1.中國船級社 海洋工程技術(shù)中心，天津 300457； 2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

隨著海上風(fēng)電場向40 m以上水深發(fā)展[1]，風(fēng)電安裝平臺(tái)在作業(yè)時(shí)，所受的風(fēng)、浪、流載的作用隨之發(fā)生。對于作業(yè)海況超出平臺(tái)設(shè)計(jì)所允許的極限時(shí)，一般采用2種方法評估平臺(tái)的安全性：一是采用類似自升式鉆井平臺(tái)“井位分析”的方法進(jìn)行評估；二是通過查詢操船手冊中的環(huán)境圖譜快速進(jìn)行分析。相對于“井位分析”的方法，環(huán)境圖譜包含平臺(tái)可能遭遇的所有海況下平臺(tái)極限裝載能力，平臺(tái)操作者通過查詢圖譜就可以對平臺(tái)的安全性進(jìn)行快速評估，免去了前者重新建模、加載分析的過程，同時(shí)在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用圖譜能方便找到設(shè)計(jì)短板進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。因此，環(huán)境圖譜對平臺(tái)設(shè)計(jì)和操作十分重要，已被很多國際領(lǐng)先的設(shè)計(jì)公司作為操船手冊的重要組成部分。在計(jì)算圖譜過程中，任意數(shù)據(jù)點(diǎn)值都代表了在一個(gè)子海況下滿足規(guī)范要求的平臺(tái)極限裝載能力，因此需要技術(shù)人員對該海況下平臺(tái)裝載量進(jìn)行循環(huán)迭代搜索，而圖譜包含數(shù)百個(gè)子海況，如人工計(jì)算十分耗時(shí)且無法保證準(zhǔn)確性。為找到快速準(zhǔn)確的圖譜計(jì)算方法，考慮結(jié)合CCS規(guī)范及sname推薦做法編寫可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模和圖譜自動(dòng)繪制的VB程序，以某4腿風(fēng)電安裝平臺(tái)為算例，對不同水深、風(fēng)速、邊界條件進(jìn)行計(jì)算，分析該VB軟件的工程應(yīng)用有效性。

1 有限元模型及參數(shù)

某4腿風(fēng)電安裝平臺(tái)的船體為長方形箱型結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓柱樁腿配備2套插銷式環(huán)梁升降系統(tǒng)，升降作業(yè)時(shí)2套環(huán)梁協(xié)同作業(yè)，升船完畢后上環(huán)梁單獨(dú)固樁。每個(gè)樁腿下端配備一個(gè)可拆卸圓形的樁靴。平臺(tái)左舷配備一部4 000 kN吊機(jī)，可進(jìn)行舷內(nèi)和舷外吊裝作業(yè)。

1.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件sacs作為建模工具，計(jì)算模型需要結(jié)合圖紙及本文研究重點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)簡化，簡化后地模型見圖1。

1)主船體的模擬。計(jì)算中不考慮主船體構(gòu)件的強(qiáng)度，因此需要對船體進(jìn)行等效梁簡化。為保證等效梁與實(shí)船剛度一致，需對等效梁做如下規(guī)定：①梁截面積與實(shí)船一致；②梁扭轉(zhuǎn)慣性矩與實(shí)船一致；③梁抗彎慣性矩與實(shí)船一致[2]。

2)樁腿的模擬。本平臺(tái)圓柱圓腿內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)和外部插銷孔為局部結(jié)構(gòu)，忽略樁腿剛度和環(huán)境載荷影響。水動(dòng)力系數(shù)CD=0.65，CM=2。

3)樁腿與船體之間的連接。平臺(tái)作業(yè)時(shí)依靠環(huán)梁系統(tǒng)上的液壓插銷對樁腿進(jìn)行鎖死固樁。模型中通過耦合插銷節(jié)點(diǎn)和同一水平層的樁腿節(jié)點(diǎn)的垂向自由度進(jìn)行模擬。

4)邊界條件模擬。模型中考慮帶樁靴和不帶樁靴2種工況，因?yàn)闃堆ヅc土壤的相互作用不是本文的研究重點(diǎn)，因此，邊界條件均簡化為鉸支。帶樁靴時(shí)模型鉸支點(diǎn)的位置為樁靴型深一半處，不帶樁靴時(shí)鉸支點(diǎn)的位置為入泥深度一半處。

1.2 輸入?yún)?shù)

輸入?yún)?shù)見表1。波浪理論選取流函數(shù)，各水深氣隙取固定值13.5 m，波浪周期T與波高H的關(guān)系滿足以下公式。

有樁靴：

(1)

無樁靴：

(2)

考慮到超出波高上限的子工況既無工程意義也耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間，因此，需要根據(jù)平臺(tái)遭受的實(shí)際海況限定最大波高。參照中國船級社規(guī)范要求，保證波峰到平臺(tái)底板至少有1.2 m的峰隙[3]2-46，計(jì)算得到計(jì)算波高上限見表2，其中，H/T2=0.10；波峰高度ξ參照圖2選取。

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 波高上限

2 計(jì)算程序

利用SACS軟件計(jì)算平臺(tái)遭受的波浪及海流載荷，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算風(fēng)載荷、波浪引起的動(dòng)力載荷及P-D效應(yīng)載荷。出于計(jì)算效率的考慮，選取5個(gè)波浪入射方向(0°、60°、90°、120°、180°)。

2.1 計(jì)算理論

波浪及流載荷按照莫里森方程進(jìn)行計(jì)算。

F=FD+FI

(3)

式中：F、FD、FI為單位長度的波流力、拖曳力、慣性力。

風(fēng)載荷采用CCS推薦的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[3]2-27：

F=ChCsSp

(4)

P=0.613·10-3V2

(5)

式中：p為風(fēng)壓；Ch為高度系數(shù)；S為投影面積，V為風(fēng)速。

當(dāng)水深達(dá)到一定深度時(shí)，波浪引起的動(dòng)力載荷不能忽略，計(jì)算采用SDOF方法(單自由度)，動(dòng)力放大系數(shù)[3]2-48

(6)

式中：ξ為臨界阻尼的百分比(一般不超過7%)，T為波浪周期，Tn為平臺(tái)自振固有周期。

應(yīng)考慮由軸向壓力和樁腿整體側(cè)向位移聯(lián)合作用所產(chǎn)生的力，按下式計(jì)入P-D效應(yīng)[3]2-48。

(7)

式中:δ為主船體線彈性一階側(cè)向位移；P為樁腿平均受壓載荷；PE為整根樁腿的彈性臨界力。

2.2 程序校核參數(shù)

計(jì)算極限可變荷載的過程中，荷載既是輸入項(xiàng)也是計(jì)算結(jié)果項(xiàng)，需反復(fù)迭代計(jì)算；在迭代過程中，需要設(shè)定校核參數(shù)進(jìn)行邏輯判定，當(dāng)滿足所有校核參數(shù)時(shí)，認(rèn)為該子工況符合要求，然后進(jìn)入程序下一步，校核參數(shù)如下。

1)抗傾穩(wěn)性。平臺(tái)抗傾穩(wěn)性校核公式為[3]3-7

(8)

式中：MK、MQ分別為平臺(tái)坐底時(shí)的抗傾力矩和傾覆力矩，kN·m；KQ為抗傾安全系數(shù)，KQ=1.2。

2)預(yù)壓載力。采用船體自重進(jìn)行對角壓載，不考慮壓載水量。單樁腿升降系統(tǒng)預(yù)壓載力為19 600 kN。

3)升降系統(tǒng)固樁能力。平臺(tái)升降系統(tǒng)固樁能力為19 600 kN。

4)樁靴承載力。樁靴承載力為20 381 kN。

5)樁腿強(qiáng)度。樁腿強(qiáng)度校核公式參照中國船級社規(guī)范。

2.3 程序模塊

基于VB語言，對sacs程序進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)①參數(shù)化建模；②自動(dòng)處理結(jié)果數(shù)據(jù)；③自動(dòng)繪制環(huán)境圖譜[4]。程序分為4個(gè)獨(dú)立模塊，見圖3。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得到不同環(huán)境條件下平臺(tái)環(huán)境圖譜見圖4～9。若可變荷載大于圖中極限值，則平臺(tái)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，需要減小可變荷載；若可變載荷小于圖中極限值，則平臺(tái)處于安全狀態(tài)，平臺(tái)能力存有余量。計(jì)算分析用時(shí)不超過1周，而手工計(jì)算分析需要20～30 d才能完成。

3.1 樁靴的影響

由圖4可知，在水深、風(fēng)速、流速相同的情況下，不帶樁靴曲線包絡(luò)面積要大于帶樁靴的包絡(luò)面積，即平臺(tái)能在更廣的波浪海域作業(yè)，承載更多的可變荷載。主要原因是不帶樁靴工況鉸支點(diǎn)在泥面以下的深度比帶樁靴工況要大，導(dǎo)致平臺(tái)在相同環(huán)境條件下能夠承受的可變荷載變小。

3.2 水深的影響

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)速、流速相同的情況下，40 m水深曲線包絡(luò)面積要小于35 m水深的包絡(luò)面積，即隨著水深的增加，平臺(tái)能夠承受的可變荷載變小。主要原因是隨著水深的增大，平臺(tái)重心高度和環(huán)境載荷作用高度都會(huì)增大，導(dǎo)致平臺(tái)在相同波高時(shí)能承受的可變荷載變小。

3.3 風(fēng)速的影響

由圖6可知，當(dāng)水深、流速相同的情況下，51.4 m/s風(fēng)速曲線包絡(luò)面積要小于20.6 m/s風(fēng)速曲線的包絡(luò)面積，即隨著風(fēng)速的增加，平臺(tái)能夠承受的可變荷載越小。主要原因是隨著風(fēng)速的增大，船體所受風(fēng)載荷逐漸增大，導(dǎo)致平臺(tái)能夠承受的可變荷載變小。

4 結(jié)論

1)通過編制的VB程序，計(jì)算環(huán)境圖譜的效率相對手工方法能夠提升3倍以上。

2)當(dāng)其他輸入條件相同時(shí)，圖譜包絡(luò)面積隨水深、風(fēng)速的增大而變小，鉸支邊界的圖譜包絡(luò)面積比固支邊界小，這種變化趨勢符合工程實(shí)際，該程序在工程應(yīng)用時(shí)可行。

3)程序?qū)ν寥琅c樁靴的相互作用進(jìn)行了簡化，其計(jì)算結(jié)果相對實(shí)際值存在偏差，今后可考慮將土壤和樁靴相互作用的研究成果加入到該程序中。