海上風(fēng)電機(jī)組與支撐結(jié)構(gòu)一體化動(dòng)力響應(yīng)分析

楊 欣

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

海上風(fēng)電不同于陸上風(fēng)電，所處海洋動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)受力和動(dòng)力響應(yīng)也更加復(fù)雜。除結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載之外，還要承受波浪荷載、水流荷載。在各種動(dòng)力荷載作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)不斷發(fā)生振動(dòng)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)正常運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此，需要對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的動(dòng)力分析。海上風(fēng)電系統(tǒng)是一個(gè)耦合系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)與塔架、樁柱、地基等的受力、變形和運(yùn)動(dòng)都不可分割。因此，將風(fēng)電機(jī)組-支撐結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，從耦合系統(tǒng)的角度開(kāi)展研究是十分必要的。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)將風(fēng)電機(jī)組-塔架-基礎(chǔ)作為整體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)開(kāi)展了大量研究，同時(shí)致力于開(kāi)發(fā)一體化荷載計(jì)算平臺(tái)與分析工具。

依托OC3、OC4、OC5[1]項(xiàng)目，國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了一系列設(shè)計(jì)分析工具的研究，致力于完善海上風(fēng)機(jī)整體計(jì)算分析平臺(tái)。MHI Veatas通過(guò)與Ramboll合作，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了海上風(fēng)電行業(yè)內(nèi)首個(gè)封裝式風(fēng)機(jī)-基礎(chǔ)整體荷載計(jì)算軟件SMART Foundation Loads。國(guó)內(nèi)的金風(fēng)科技針對(duì)風(fēng)電機(jī)組-基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，開(kāi)發(fā)了數(shù)字化荷載計(jì)算平臺(tái)iDO。

研究表明，采用一體化設(shè)計(jì)能夠顯著降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本。DNV GL的FORCE項(xiàng)目提出了一體化設(shè)計(jì)理念，認(rèn)為通過(guò)風(fēng)電機(jī)組-基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)，可至少降低10%成本[4]。翟恩地等[5]利用數(shù)字化云平臺(tái)對(duì)機(jī)組、塔架、基礎(chǔ)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)分析，與傳統(tǒng)分布迭代設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行比較，研究了在極端工況下結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞極限工況下結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，結(jié)果表明：在極端工況和疲勞工況下，由一體化設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、變形及疲勞損傷相對(duì)于傳統(tǒng)迭代計(jì)算方法有較大幅度的降低。周昳鳴等[6]通過(guò)數(shù)字化云平臺(tái)iDO研究了在塔架直徑、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直徑不同時(shí)整體支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并與傳統(tǒng)分布迭代設(shè)計(jì)方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明：一體化設(shè)計(jì)方法能夠給出更為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，減輕整體支撐結(jié)構(gòu)重量。王宇航等[7]通過(guò)Bladed與Sesam建立風(fēng)機(jī)-塔筒-基礎(chǔ)一體化模型，實(shí)現(xiàn)了固定式風(fēng)電機(jī)組在極限工況下的一體化分析，并與傳統(tǒng)迭代設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)對(duì)降低構(gòu)件內(nèi)力、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)用鋼量具有顯著作用。

目前，由于風(fēng)機(jī)廠商對(duì)風(fēng)電機(jī)組上部結(jié)構(gòu)資料的保密，設(shè)計(jì)院無(wú)法獲得上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此，國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)院都采用分離式設(shè)計(jì)方法對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，即以塔筒和基礎(chǔ)交界面為分界線，先由風(fēng)機(jī)廠商建立包含塔架和初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)的一體化模型，根據(jù)環(huán)境荷載對(duì)塔架等進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)解后提供交界面處的最大荷載，設(shè)計(jì)院根據(jù)最大荷載對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化與校核，風(fēng)機(jī)廠商再根據(jù)優(yōu)化后的基礎(chǔ)對(duì)塔筒等進(jìn)行校核。這種方法會(huì)導(dǎo)致上部荷載被簡(jiǎn)化為線性組合，也會(huì)重復(fù)考慮波浪、海流荷載，造成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏于保守。一體化設(shè)計(jì)方法是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化建模、考慮風(fēng)浪耦合作用進(jìn)行一體化荷載計(jì)算，所得荷載直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核。

本文將通過(guò)Bladed與Sacs軟件建模，以某5 MW單樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，分別通過(guò)一體化分析方法與分離式分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)在極端工況下的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。

2 一體化與分離式分析方法

2.1 模型建立

2.1.1 地基剛度計(jì)算

由于Bladed軟件不能直接對(duì)樁、土進(jìn)行建模，只能通過(guò)地基剛度反映樁土作用，故本文基于p-y曲線法，利用Lpile軟件計(jì)算出泥面處水平剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。計(jì)算得水平剛度為1.31×106kN/m，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為4.75×108kN·m/rad。

2.1.2 支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

單樁基礎(chǔ)方案采用一根直徑D為7000～8200 mm(壁厚65～80 mm)、平均樁長(zhǎng)為71.0 m的鋼管樁打入海底基床，樁尖平均高程為-61.0 m，樁身入土深度約50 m，樁頂高程為10 m。單樁基礎(chǔ)模型相關(guān)參數(shù)及土壤主要性能參數(shù)如表1和表2所示。

表1 單樁基礎(chǔ)模型參數(shù)(據(jù)國(guó)家85高程)

表2 土壤主要性能參數(shù)

2.1.3 風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)

風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 5 MW風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)

2.2 分析方法

本算例依托奉賢海上風(fēng)電項(xiàng)目，支撐結(jié)構(gòu)為單樁基礎(chǔ)，風(fēng)機(jī)為某5 MW樣本風(fēng)機(jī)。分別通過(guò)一體化分析方法與分離式分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，主要分析方法為：①通過(guò)Bladed軟件建立包含風(fēng)電機(jī)組-塔架-基礎(chǔ)的一體化模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算得到塔筒與基礎(chǔ)交界面處荷載時(shí)程力；②通過(guò)Sacs軟件對(duì)交界面以下基礎(chǔ)進(jìn)行建模，對(duì)設(shè)計(jì)交界面施加荷載時(shí)程力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算；③對(duì)①及②計(jì)算得到的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在泥面處產(chǎn)生的剪力進(jìn)行對(duì)比分析。圖1為一體化設(shè)計(jì)、分離式設(shè)計(jì)示意圖，圖2為本文所建立的一體化模型與分離式模型，圖3為塔架荷載坐標(biāo)系統(tǒng)。

圖1 一體化與分離式設(shè)計(jì)示意

圖2 一體化模型與分離式模型

圖3 塔架荷載坐標(biāo)系

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)IEC61400-3《Design requirements for offshore wind turbines》[8]確定計(jì)算工況，本文選取停機(jī)(或空轉(zhuǎn))工況中的6.1a、6.1b工況，考慮穩(wěn)態(tài)風(fēng)+規(guī)則波、穩(wěn)態(tài)風(fēng)+隨機(jī)波、湍流風(fēng)+規(guī)則波、湍流風(fēng)+隨機(jī)波四種工況組合，風(fēng)、浪同向，均來(lái)自0度方向(自北方)，風(fēng)、波浪參數(shù)取值參考表4。

表4 計(jì)算工況

3 結(jié)果與討論

3.1 風(fēng)、波浪模擬

圖4為通過(guò)Bladed軟件模擬所得的不同工況下輪轂處風(fēng)速、波高時(shí)程曲線。

由圖4可以看出，穩(wěn)態(tài)風(fēng)輪轂處風(fēng)速保持43 m/s，湍流風(fēng)輪轂處風(fēng)速介于22.5～63.7 m/s，平均風(fēng)速為41.7 m/s。

圖4 輪轂處風(fēng)速、波高變化曲線

3.2 泥面處剪力對(duì)比分析

針對(duì)不同的荷載組合工況，分別通過(guò)一體化計(jì)算、分離式計(jì)算得到基礎(chǔ)在泥面處的剪力Fx，對(duì)30～100 s內(nèi)Fx時(shí)程變化曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 泥面處作用力時(shí)程曲線

從Fx的時(shí)程變化曲線可以看出，在4種工況下，由一體化計(jì)算得到的泥面處剪力與分離式計(jì)算得到的曲線趨勢(shì)基本一致，主要偏差表現(xiàn)在峰值與谷值處。在峰值處，普遍表現(xiàn)為分離式大于一體化，在谷值處為分離式小于一體化，分離式時(shí)程力變化幅值大于一體化。

對(duì)不同工況下結(jié)構(gòu)在泥面處剪力的最大值、最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行偏差計(jì)算，結(jié)果如表6所示。

表6 結(jié)構(gòu)內(nèi)力偏差

從表6可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)Fx而言，最大值為分離式大于一體化，偏差介于4%～11%，最小值為分離式小于一體化，且最小值均為負(fù)值，最大偏差達(dá)到了34.7%。在設(shè)計(jì)中時(shí)程力的最大值、最小值通常為重要影響因素，分離式計(jì)算得到的時(shí)程曲線峰值普遍大于一體化、谷值小于一體化，作用于結(jié)構(gòu)的荷載幅值大于一體化計(jì)算，將會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本增高。

4 結(jié)論

本文依托奉賢海上風(fēng)電項(xiàng)目，利用Bladed軟件建立了包含葉片、機(jī)艙、輪轂、塔筒、基礎(chǔ)的一體化模型，利用Sacs軟件建立了包含基礎(chǔ)的分離式模型，分別通過(guò)一體化計(jì)算與分離式計(jì)算進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，驗(yàn)證了一體化計(jì)算在固定式海上風(fēng)電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。

分別通過(guò)一體化計(jì)算、分離式計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)在泥面處的剪力時(shí)程曲線，比較兩者可以發(fā)現(xiàn)，一體化與分離式計(jì)算得到的泥面處剪力時(shí)程曲線趨勢(shì)基本一致，僅在峰值及谷值處存在偏差，在峰值處，分離式大于一體化，在谷值處，分離式小于一體化。對(duì)結(jié)構(gòu)在泥面處剪力的最大值、最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行偏差分析，發(fā)現(xiàn)最大偏差達(dá)到了34.7%，因此，在實(shí)際工程中，分離式設(shè)計(jì)過(guò)于保守，采用一體化計(jì)算可以有效地降低設(shè)計(jì)成本。