單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)防護(hù)裝置的船舶碰撞試驗(yàn)與數(shù)值對(duì)比分析

宋澤成，王 蕾，任年鑫，李煒

(1.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022; 2.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228;3.大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024;4.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310014)

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)如雨后春筍般在世界范圍內(nèi)的興起[1]，惡劣海洋環(huán)境條件下，大型海上風(fēng)力機(jī)遭受船舶意外碰撞的可能性也日益增高[2-3].海上風(fēng)力機(jī)是一種典型的頂部帶有集中大質(zhì)量的高聳結(jié)構(gòu)，其底部發(fā)生的碰撞大變形極易引起整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，因此，深入研究船舶碰撞海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征，即有著深刻的學(xué)術(shù)意義，又有著重要的實(shí)際工程意義.

相關(guān)海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)范(IEC 61400-3[4]、DNV-OS-J101[5]等)均涉及了一些有關(guān)船舶碰撞海上風(fēng)力機(jī)的參考建議，但由于其大都僅僅局限于簡(jiǎn)化的準(zhǔn)靜態(tài)分析方法，很難全面細(xì)致地揭示整個(gè)復(fù)雜碰撞過(guò)程的作用機(jī)理.一些學(xué)者[6-10]曾嘗試?yán)肔S-DYNA非線(xiàn)性有限元軟件分別對(duì)船舶碰撞單樁基礎(chǔ)、三樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)的海上風(fēng)力機(jī)過(guò)程進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬，并獲得了一些有實(shí)際參考價(jià)值的結(jié)論.目前，單樁基礎(chǔ)在近海風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)形式中應(yīng)用得最為廣泛，但由于單樁基礎(chǔ)的水平剛度相對(duì)較弱，因此在船舶遭遇意外碰撞情況下其整體結(jié)構(gòu)較為危險(xiǎn)，為此，一些學(xué)者嘗試性地提出了幾種適用于單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的防船舶碰撞裝置，主要包括：球殼-泡沫鋁結(jié)構(gòu)[11]、充氣結(jié)構(gòu)[12]、橡膠隔墊結(jié)構(gòu)[13]、鋼板-橡膠結(jié)構(gòu)[14]等，并主要基于非線(xiàn)性有限元方法，對(duì)其防撞性能進(jìn)一步進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，揭示了其各自的動(dòng)力響應(yīng)特征及防撞效果.此外，任年鑫等人[15]采用1∶50縮尺物理模型試驗(yàn)的方法，重點(diǎn)研究了一種新型單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)防撞裝置的防護(hù)性能，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)建議.

目前，有關(guān)船舶碰撞海上風(fēng)力機(jī)的物理模型試驗(yàn)的研究還非常有限，更缺少數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證研究.因此，本文分別基于簡(jiǎn)化縮尺物理模型試驗(yàn)和非線(xiàn)性有限元軟件LS-DYNA方法，對(duì)比研究了在有/無(wú)防護(hù)裝置下船舶碰撞單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)特征，以此揭示新型防護(hù)裝置的防護(hù)性能及物理作用機(jī)理，并將數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證.

1 物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵劳薪K某4 MW單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)的實(shí)際工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目由中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院參與建設(shè)，相關(guān)海域水深15 m，附近配套運(yùn)維船舶為2 000 t以下.相關(guān)船舶碰撞海上風(fēng)力機(jī)物理模型試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行，如圖1所示.主要基于動(dòng)力相似準(zhǔn)則，選取1∶50縮尺比，主要模型參數(shù)如表1所示.

表1 船舶碰撞單樁海上風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鑒于目前縮尺模型試驗(yàn)樁-土耦合作用的精確模擬仍非常難以實(shí)現(xiàn)，故本文單樁風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)采用的是簡(jiǎn)化的底部固結(jié)連接方式，即忽略樁土相互作用.利用簡(jiǎn)化小車(chē)模型(通過(guò)不同配重鉛塊)模擬不同船舶質(zhì)量，并利用直流電機(jī)、傳動(dòng)桿和配套平臺(tái)軌道裝置控制模擬船舶的不同碰撞速度.小車(chē)模型碰撞防護(hù)裝置的細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，小車(chē)前端設(shè)置有一個(gè)高精度壓力傳感器(精度0.001 N，采樣頻率1 000 Hz)，用于測(cè)量碰撞力；船舶撞擊塔架部位的防護(hù)裝置由外層薄壁鋼板和內(nèi)層橡膠隔墊結(jié)構(gòu)組成.此處僅給出縮尺模型實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)略介紹，相關(guān)物理模型試驗(yàn)更為詳細(xì)的介紹可參考文獻(xiàn)[15].

2 數(shù)值模型

基于廣泛應(yīng)用于碰撞分析的非線(xiàn)性有限元軟件(LS-DYNA軟件)，參照物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建了船舶碰撞單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，如圖3所示.為了便于數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，數(shù)值模型中的碰撞船體也采用“小車(chē)模型”，并簡(jiǎn)化為剛體結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮了船體碰撞的附粘水效應(yīng)，即10%船重[16].

考慮到風(fēng)力機(jī)塔架和防護(hù)裝置薄壁鋼殼在碰撞過(guò)程中對(duì)材料應(yīng)變率的影響，故選取非線(xiàn)性塑性材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[17])來(lái)描述鋼材本構(gòu)(Cowper-Symonds)，具體描述如下：

(1)

式中，σv、ε、σ0、Ep、εpeff分別表示動(dòng)態(tài)極限屈服應(yīng)力、應(yīng)變率、初始屈服強(qiáng)度(345 MPa)、可調(diào)參數(shù)(0.8)、塑性強(qiáng)化模量(3 GPa)和等效塑性應(yīng)變；C 和 P為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù).

防護(hù)裝置的橡膠隔墊層材料選用Mooney-Rivlin模型(MAT_MOONEY- PIVLIN_RUBBER[17])，其應(yīng)變能密度函數(shù)W是變形張量不變量I1、I2和I3的函數(shù)，即：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)+C(I-23-1)+D(I3-1)2，

(2)

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

為了便于理解，本部分的相關(guān)物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值結(jié)果都已折算為全尺度模型.

3.1 無(wú)防護(hù)裝置碰撞模擬參照DNV-OS-J101[5]國(guó)際規(guī)范，選取具代表性的船舶碰撞海上風(fēng)力機(jī)工況，即船舶質(zhì)量2 000 t，碰撞速度1 m/s.對(duì)比分析了在無(wú)防護(hù)裝置下該碰撞結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的主要數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示.

從圖4a的系統(tǒng)能量變化時(shí)程曲線(xiàn)可以看出，在船舶與風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞后，船舶的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的變形能.需要指出的是，此數(shù)值模擬系統(tǒng)的沙漏余能遠(yuǎn)小于碰撞系統(tǒng)總能量的1%.圖4b給出了碰撞接觸力的對(duì)比時(shí)程曲線(xiàn)，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有著很好的一致性，數(shù)值模擬結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果，這可能是由于物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械南虏抗探Y(jié)基礎(chǔ)很難做到絕對(duì)的固結(jié)及小車(chē)模型并非絕對(duì)不變形剛體等原因，即數(shù)值模型中忽略了單樁基礎(chǔ)和小車(chē)模型的弱彈性效應(yīng)，因此略高地估計(jì)了碰撞力的峰值.此外，圖4c給出了受碰風(fēng)力機(jī)塔架上的塑性變形區(qū)域，相關(guān)碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)損傷將嚴(yán)重威脅風(fēng)力機(jī)整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役的安全性.

3.2 有防護(hù)裝置碰撞模擬為盡可能避免由船舶意外碰撞所導(dǎo)致的海上風(fēng)力機(jī)重要主體結(jié)構(gòu)的塑性變形損傷，防船舶碰撞裝置對(duì)保障大型海上風(fēng)力機(jī)在長(zhǎng)期服役期中的結(jié)構(gòu)安全具有一定的必要性.為此，參照本研究團(tuán)隊(duì)所提出的海上風(fēng)力機(jī)防船舶碰撞裝置[15]，進(jìn)一步對(duì)比分析了該防護(hù)裝置對(duì)碰撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征的影響，主要結(jié)果如圖5所示.

對(duì)比圖4a中的系統(tǒng)能量變化時(shí)程曲線(xiàn)，圖5a所給出的有防護(hù)裝置碰撞系統(tǒng)的能量曲線(xiàn)隨時(shí)間的變化相對(duì)更為平滑.從圖5b所給出的碰撞接觸力時(shí)程對(duì)比曲線(xiàn)可以看出，在有防護(hù)裝置情況下，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也有著很好的一致性.如果將圖5b與圖4b進(jìn)行對(duì)比分析，有防護(hù)裝置情況下的碰撞接觸時(shí)間比無(wú)防護(hù)裝置的碰撞接觸時(shí)間長(zhǎng)，且碰撞力峰值顯著小于無(wú)防護(hù)裝置系統(tǒng)的碰撞力峰值，即有防護(hù)裝置的最大撞擊力約為無(wú)防護(hù)裝置工況下最大撞擊力的60%.圖5c進(jìn)一步給出了有/無(wú)防護(hù)裝置兩種工況下碰撞系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)變形能的時(shí)程曲線(xiàn)，由圖5c可以看出，在有防護(hù)裝置的情況下，防護(hù)裝置的外層薄壁鋼板首先與船舶碰撞接觸，并利用自身結(jié)構(gòu)的塑性變形充分吸收船舶碰撞的能量，從而有效減弱風(fēng)力機(jī)主體結(jié)構(gòu)的變形能.此外，圖5d給出了船舶碰撞下防護(hù)裝置上的塑性變形區(qū)域，即通過(guò)防護(hù)裝置(次要結(jié)構(gòu))的塑性變形有效地保護(hù)了風(fēng)力機(jī)主體結(jié)構(gòu)的安全.

4 結(jié) 論

本文基于簡(jiǎn)化縮尺物理模型試驗(yàn)和非線(xiàn)性有限元軟件LS-DYNA相結(jié)合的方法，對(duì)比研究了船舶碰撞單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)特征，并揭示了新型防護(hù)裝置對(duì)船舶碰撞接觸力的影響特征及物理作用機(jī)理，獲得的主要結(jié)論如下：

1)典型碰撞工況下的數(shù)值模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有著很好的一致性，該數(shù)值模擬方法的有效性得到了很好的驗(yàn)證.此外，數(shù)值模型可以更為細(xì)致地從系統(tǒng)能量和局部結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變等角度描述碰撞系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征.

2)新型薄壁鋼殼-橡膠隔墊層組合結(jié)構(gòu)防護(hù)裝置可以有效地降低作用于風(fēng)力機(jī)主體結(jié)構(gòu)的最大船舶撞擊力，并可利用其外層薄壁鋼殼結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收船舶碰撞的能量，從而保護(hù)風(fēng)力機(jī)塔架及整體結(jié)構(gòu)的安全.