Truss Spar結(jié)構(gòu)浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)總體強(qiáng)度分析

孫寅博，竇培林

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

隨著人類對(duì)石油資源的過度開發(fā)，并造成了一些難以挽回的污染，世界各國(guó)也紛紛尋找新能源以替代日漸不足的石化資源。風(fēng)能作為一種最清潔的新能源，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛研究。近十年來，海上風(fēng)能的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，每年裝機(jī)容量都超過1 GW。準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)荷載對(duì)于經(jīng)濟(jì)有效和安全基礎(chǔ)至關(guān)重要。在充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的情況下，需要對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)和環(huán)境建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒拍艽_定準(zhǔn)確的載荷。

目前已經(jīng)有3種平臺(tái)概念有確定性的理論驗(yàn)證和分析，它們?cè)跈M搖和縱搖上有足夠的穩(wěn)性。這3種平臺(tái)形式分別是Spar型，TLP（張力腿式）和壓載式。這些平臺(tái)通過回復(fù)力矩與平臺(tái)自身的浮力和系泊系統(tǒng)共同作用達(dá)到可以運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)，半潛式平臺(tái)的概念混合使用了上述保持浮態(tài)的方法。本文概念設(shè)計(jì)了一種新型桁架式Spar結(jié)構(gòu)的海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行總體強(qiáng)度分析，找到了其應(yīng)力最易集中的位置，對(duì)后續(xù)其結(jié)構(gòu)加強(qiáng)奠定了基礎(chǔ)。有限元直接計(jì)算法是船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物中常用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法，已經(jīng)被業(yè)界廣泛使用。它將結(jié)構(gòu)整體受到的外載荷、重力載荷、慣性力，一并施加到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行有限元分析。本文采用Ansys AQWA和靜力學(xué)模塊對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行波浪載荷和流載荷耦合的總體強(qiáng)度分析。

1 浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的結(jié)構(gòu)形式主要參考了李溢涵[1,4]論文中的機(jī)型，但桁架的寬度、垂蕩板的板厚等具體參數(shù)均有不同。垂蕩板的板厚為0.8 m，垂蕩板的圓角為50 mm，桁架的間距為相鄰間距16 m。結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1。

上部浮箱桁架結(jié)構(gòu)為1 7×17根板材交叉排列，垂蕩板桁架結(jié)構(gòu)為 1 1×11根板材交叉排列，下部艙室全部為混凝土壓載，采用實(shí)體建模。

表1 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Main design parameters of structure

圖1 三維結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 Three dimensional structure

2 波浪載荷計(jì)算理論與參數(shù)選取

本文根據(jù)中國(guó)船級(jí)社CCS發(fā)布的《海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)狀態(tài)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)及應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)指南》中的確定性設(shè)計(jì)波法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的波浪載荷預(yù)報(bào)。根據(jù)指南，規(guī)則波的波陡定義為：

式中：g為重力加速度；H為規(guī)則波波高；T為規(guī)則波周期。規(guī)則波波陡通常不必超過公式計(jì)算的數(shù)值:

式中，H100為百年一遇規(guī)則波最大設(shè)計(jì)波高。

本文采用AQWA進(jìn)行波浪水動(dòng)力分析，波浪載荷傳遞函數(shù)（RAO）基于9個(gè)浪向和20個(gè)遭遇頻率進(jìn)行波浪搜索。浪向?yàn)?°～180°，周期最小為2.739 15 s，最大為62.831 85 s。根據(jù)指南的建議，選取的周期范圍不必小于3 s，最大不必超過18 s，則波周期選取為2.739 15 s，5.901 92 s，9.064 7 s，12.227 47 s，15.390 24 s。根據(jù)上文公式，選取百年一遇的波高為30.96 m。對(duì)應(yīng)周期的波高，分別是1.67 m，7.77 m，18.32 m，33.33 m，52.802 m。舍棄后2個(gè)周期的數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)采用百年一遇的波高。本文只展示最危險(xiǎn)工況的波浪載荷剪切力RAO云圖。鑒于模型的對(duì)稱性，本文只展示模型垂向、橫向、橫搖彎矩的RAO，如圖2～圖4所示。

圖2 不同位置不同浪向下垂向剪切力RAO云圖Fig.2 RAO of wave drooping shear force at different positions

圖3 不同位置不同浪向下橫向剪切力RAO云圖Fig.3 RAO of transverse shear force at different locations

圖4 不同位置不同浪向下橫搖彎矩RAO云圖Fig.4 RAO of wave rolling downward at different positions

根據(jù)RAO計(jì)算值，選取2個(gè)最危險(xiǎn)的工況，分別是工況1浪向?yàn)?80°，周期為12.227 47 s，位置為-8 m，設(shè)計(jì)波高為百年一遇波高，此時(shí)垂向和橫向的波浪載荷最大。工況2浪向?yàn)?90°，周期為12.227 47 s，位置為-7 m，設(shè)計(jì)波高為百年一遇波高，此時(shí)波浪造成的橫搖彎矩最大。

3 流載荷計(jì)算方法

本文根據(jù)Ansys APDL指定海洋環(huán)境，并通過命令流指定不同海水深度的流速，本文指定海水水深為150 m，海水密度為1 025 kg/m3，0 m海水流速為0.5 m/s，水深40 m海水流速為0.2 m/s。

圖5 Ansys海洋環(huán)境示意圖Fig.5 Ansys ocean condition

4 結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

4.1 慣性釋放原理

慣性釋放的基本原理，就是采用結(jié)構(gòu)質(zhì)量的慣性力來抵消施加的不平衡載荷，即結(jié)構(gòu)雖然無任何約束，但結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于“靜態(tài)”平衡狀態(tài)。慣性釋放法需要提供一個(gè)指定的自由體支撐點(diǎn)，稱為“虛支座”，該點(diǎn)可提供限制自由體運(yùn)動(dòng)的約束，但是不會(huì)引入多余的支反力。

4.2 邊界條件

對(duì)于海上浮式風(fēng)機(jī)，國(guó)內(nèi)外目前沒有出臺(tái)對(duì)應(yīng)校核桁架式Spar結(jié)構(gòu)的浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)強(qiáng)度規(guī)范，在進(jìn)行浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)校核的時(shí)候首先需要消除6個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng)。通過上文所述的慣性釋放方式，選取一個(gè)邊界作為整體校核的虛支座。

4.3 材料參數(shù)

浮體所選用的鋼材為海洋結(jié)構(gòu)物專用鋼材EH36，參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)表Tab.2 Material parameters

4.4 總體強(qiáng)度分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)的整體變形和整體結(jié)構(gòu)的Von-mise應(yīng)力云圖如圖5～圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要發(fā)生在連接處，尤其在桁架和垂擋板連接處內(nèi)部，應(yīng)力值為全結(jié)構(gòu)處最大的應(yīng)力。工況1可以看出整體結(jié)構(gòu)受到垂向的力很大，工況2結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了很大的橫向變形。無論工況1還是工況2 Von-mise應(yīng)力都在屈服應(yīng)力允許范圍之內(nèi)，垂蕩板在垂向方向有嚴(yán)重的變形。對(duì)于垂蕩板內(nèi)橫撐，肋板的設(shè)計(jì)還有待于完善。但對(duì)于一般的海況，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全符合要求。

圖6 工況1整體變形Fig.6 Case1 total deformation

圖7 工況2整體變形Fig.7 Case2 total deformation

圖8 工況1整體結(jié)構(gòu)Von-mise應(yīng)力云圖Fig.8 Case1 total Von-mise stress

圖9 工況2整體結(jié)構(gòu)Von-mise應(yīng)力云圖Fig.9 Case2 total Von-mise stress

表3 工況1和工況2結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力值Tab.3 Case1 and Case2 important structure stress

整體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力最大值節(jié)點(diǎn)和該部位的最大應(yīng)力值如表1所示。-29 m，-8 m處為結(jié)構(gòu)垂擋板和桁架交叉處位置，-8 m處給出了垂擋板最大應(yīng)力位置和最大Von-mise應(yīng)力值。表1中的數(shù)據(jù)說明了結(jié)構(gòu)的交叉部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)該采取不一樣的連接方式，通過曲面過渡，改變應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

通過直接計(jì)算法計(jì)算海上浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)強(qiáng)度，先通過水動(dòng)力分析得到浮式基礎(chǔ)的輻射力值，進(jìn)而進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算得到了浮式基礎(chǔ)的Von-Mise應(yīng)力及變形結(jié)果。通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)垂擋板部位和桁架連接處部位屬于高應(yīng)力區(qū)域，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和優(yōu)化研究。