海上風(fēng)電機(jī)組與支撐結(jié)構(gòu)一體化疲勞分析

楊 欣

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)所處環(huán)境復(fù)雜，結(jié)構(gòu)除受到自身重力之外，還受到風(fēng)、波浪、海流、運(yùn)行荷載及地震波、浮冰荷載等各種動力荷載，使結(jié)構(gòu)在服役期間不停息地發(fā)生振動[1]。在這種持續(xù)的振動作用下，結(jié)構(gòu)會在未達(dá)到極限應(yīng)力，甚至是未達(dá)到彈性極限時發(fā)生破壞，即發(fā)生疲勞破壞。在實際工程中，疲勞破壞會嚴(yán)重威脅海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的使用安全，因此疲勞破壞問題不容忽視[2,3]。

目前針對海上風(fēng)電疲勞特性的研究方法通常包括兩種，頻域分析方法和時域分析方法[4]。時域分析方法是通過監(jiān)測或模擬得到荷載的時間序列，將得到的荷載施加在結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到應(yīng)力-時程曲線，通過雨流計數(shù)法統(tǒng)計得到應(yīng)力幅值、循環(huán)次數(shù)，根據(jù)S-N曲線理論與Miner線性累積損傷理論計算得到結(jié)構(gòu)的疲勞損傷值[5]。頻域分析方法通常是采用譜分析的方法，需要根據(jù)研究海域的聯(lián)合概率密度函數(shù)，得到結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪流作用下的響應(yīng)函數(shù)，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞損傷分析[6,7]。

對于傳統(tǒng)的海洋石油平臺來說，疲勞通常只考慮波浪荷載作用，而忽略風(fēng)、海流對結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。而對于海上風(fēng)電基礎(chǔ)來說，結(jié)構(gòu)承受著風(fēng)荷載帶來的巨大的水平力和傾覆力矩，因此必須考慮結(jié)構(gòu)受到風(fēng)、波浪的聯(lián)合作用[8]。而目前大多采用風(fēng)、波浪單獨計算疲勞損傷，再線性疊加的方法進(jìn)行考慮，此種方法會忽視風(fēng)浪聯(lián)合作用的非線性影響因素，因此不能準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的疲勞特性。

2 疲勞分析方法

2.1 模型建立

本算例采用Bladed軟件自帶的某5MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行計算。風(fēng)輪直徑為118 m，輪轂高度為80 m，切入風(fēng)速為3.5 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s。

基礎(chǔ)采用某海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)，樁徑約為7～8.2 m，壁厚約為65～80 mm，樁尖高程為-62 m，樁頂高程為10 m。單樁基礎(chǔ)模型如圖1所示。本算例基于p-y曲線法計算得到泥面處水平剛度為1.31×106kN/m，轉(zhuǎn)動剛度為4.75×108kN·m/rad。

圖1 單樁基礎(chǔ)示意(國家85高程)

2.2 分析方法

本研究采用Bladed軟件進(jìn)行建模，上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)采用軟件自帶5MW風(fēng)電機(jī)組，下部支撐結(jié)構(gòu)采用某海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)，建立包含葉片、機(jī)艙、塔筒、基礎(chǔ)的一體化模型。①首先通過Bladed軟件模擬得到環(huán)境荷載時間序列，其中，風(fēng)荷載求解基于葉素動量理論，波浪荷載求解基于莫里森方程。運(yùn)動方程的求解基于能量守恒原理和拉格朗日方程。②采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計得到應(yīng)力幅值-循環(huán)次數(shù)關(guān)系，基于S-N曲線理論及Miner線性累積損傷理論計算得到結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。計算得到結(jié)構(gòu)20年壽命期內(nèi)分別在風(fēng)浪聯(lián)合作用、風(fēng)浪線性疊加情況下產(chǎn)生的疲勞損傷，并進(jìn)行比較分析。圖2是采用Bladed軟件建立的模型，圖3是本研究的技術(shù)路線圖。

圖2 一體化模型

圖3 技術(shù)路線

2.3 計算工況

根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)速、波高、波周期分布確定計算工況，本算例分別考慮了工況一：輪轂處風(fēng)速5 m/s、有效波高0.2 m、有效波周期5 s；工況二：輪轂處風(fēng)速8 m/s、有效波高1.4 m、有效波周期6 s進(jìn)行計算，風(fēng)、浪同向。

3 結(jié)果與討論

3.1 風(fēng)、波浪模擬

首先利用Bladed進(jìn)行環(huán)境荷載的模擬，得到兩種工況下輪轂處風(fēng)速、波高隨時間的變化曲線，如圖4所示。

3.2 熱點應(yīng)力計算

由于塔筒底部容易存在因變截面、變壁厚等管節(jié)對接產(chǎn)生的偏位問題[9,10]，更容易產(chǎn)生疲勞損傷問題，本算例根據(jù)DNV-RP-C203[12]所規(guī)定的公式進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)的計算，主要考慮壓縮正應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的截面疊加應(yīng)力。

圖4 風(fēng)速、波高變化時程曲線

(1)

根據(jù)公式(1)計算得到塔筒底部應(yīng)力集中系數(shù)為1.324，通過截面總正應(yīng)力乘以計算所得應(yīng)力集中系數(shù)，即可得到熱點應(yīng)力。圖5為塔筒底部在風(fēng)浪聯(lián)合作用下的熱點應(yīng)力隨時間變化曲線。

3.3 雨流計數(shù)統(tǒng)計

影響疲勞的主要因素是熱點應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)力幅值、循環(huán)次數(shù)，通過雨流計數(shù)法統(tǒng)計得到熱點應(yīng)力的各級應(yīng)力幅值和對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖5 風(fēng)浪聯(lián)合作用下熱點應(yīng)力變化時程曲線

圖6 雨流計數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

3.4 疲勞損傷計算

S-N曲線是以對數(shù)橫坐標(biāo)為壽命周次，對數(shù)縱坐標(biāo)為最大應(yīng)力幅值的曲線，能夠表示標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命的關(guān)系[11]。參考DNV-RP-C203[12]規(guī)范，選擇合適的S-N曲線。

根據(jù)線性累積損傷理論，結(jié)構(gòu)經(jīng)受n次循環(huán)的損傷值D=n/N，當(dāng)n=N，則D=1，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞[13,14]，結(jié)合統(tǒng)計得到的應(yīng)力幅值、循環(huán)次數(shù)，所選擇的S-N曲線，通過線性損傷累積理論可以計算得到結(jié)構(gòu)的疲勞損傷值，根據(jù)t時間內(nèi)的損傷值可推算出結(jié)構(gòu)在20年壽命期內(nèi)的疲勞損傷[15]。

表6 疲勞損傷值

根據(jù)表6可以發(fā)現(xiàn)，兩種工況下計算得到的結(jié)構(gòu)在20年壽命期內(nèi)的疲勞損傷值都小于1，未發(fā)生疲勞破壞。此外，由風(fēng)浪聯(lián)合作用計算得到的損傷值大于風(fēng)浪線性疊加計算值，兩種不同工況的偏差分別為38.56%、31.97%，通過考慮結(jié)構(gòu)在單獨風(fēng)、單獨浪作用下的損傷再簡單地進(jìn)行線性疊加，會忽略風(fēng)浪聯(lián)合作用于結(jié)構(gòu)時的非線性因素影響，因此，在實際的工程中，不能簡單地通過線性疊加來進(jìn)行計算，會導(dǎo)致結(jié)果計算不準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)設(shè)計不安全。

4 結(jié)論

本文將通過Bladed對風(fēng)電機(jī)組、塔筒、基礎(chǔ)進(jìn)行建模，以某5MW海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)為研究對象，采用時域分析方法進(jìn)行計算，基于雨流計數(shù)法、S-N曲線理論與Miner線性累積損傷理論分別計算得到了結(jié)構(gòu)塔筒底部受到單獨風(fēng)作用、單獨浪作用、風(fēng)浪疊加作用產(chǎn)生的疲勞損傷，并將風(fēng)浪線性疊加、風(fēng)浪聯(lián)合作用產(chǎn)生的損傷值進(jìn)行對比，結(jié)果表明：分別計算風(fēng)、波浪單獨作用，并加以疊加得到的結(jié)構(gòu)損傷值小于風(fēng)浪聯(lián)合作用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷值，其偏差高達(dá)35.56%，在實際工程中，這樣的方法會使設(shè)計偏于不安全，驗證了疲勞計算時考慮風(fēng)浪聯(lián)合作用的必要性。