海冰撞擊下海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力特性與損傷分析

收稿日期：2022-02-24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52071058；51939002；52071301）；浙江省自然科學(xué)基金（ZOE2020004）；遼寧省青年拔尖項(xiàng)目（XLYC1807208）

通信作者：施 偉（1983—），男，博士、副教授，主要從事浮式及固定式海上風(fēng)電方面的研究。weishi@dlut.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0201 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0427-09

摘 要：基于NREL 5 MW單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)，考慮樁土相互作用，建立包括冰與海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的三維精細(xì)化相互作用有限元模型，考慮冰與結(jié)構(gòu)的耦合作用，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA開展海上風(fēng)力機(jī)在風(fēng)-冰聯(lián)合作用下?lián)p傷分析與動(dòng)力響應(yīng)研究，并針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷變形提出面積受損率用于評(píng)估海上風(fēng)力機(jī)的損傷程度，探討不同冰厚對(duì)海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)損傷和動(dòng)力特性的影響。結(jié)果顯示，隨著冰厚的增加，動(dòng)冰力平均值、峰值均增加，海上風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)增大。相比于海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)其他區(qū)域，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)接觸面處損傷最大。通過該文提出的面積受損率可合理反映海上風(fēng)力機(jī)在不同冰厚作用下的損傷程度，冰厚不僅會(huì)影響單樁基礎(chǔ)的面積受損率，還會(huì)影響受損率的線性變化速度。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力機(jī)；樁基礎(chǔ)；面積受損率；動(dòng)力響應(yīng)；海冰

中圖分類號(hào)：TK513.5"""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，海洋風(fēng)能資源開發(fā)已成為全球新能源的主要發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于中國和歐洲風(fēng)電場(chǎng)，比如中國環(huán)渤海和挪威北海海域，每年都會(huì)遭遇不同程度的冰凍影響，這意味著海上風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行將受到海冰碰撞的不利影響。因此，研究海上風(fēng)力機(jī)遭受海冰撞擊的動(dòng)力響應(yīng)及損傷分析對(duì)于結(jié)構(gòu)抗冰安全設(shè)計(jì)尤為重要。

海冰的破裂形式主要可分為擠壓破壞和彎曲破壞。Kim等［1］提出基于擠壓破壞規(guī)律的冰荷載假定，對(duì)Daley冰模型和Kheisin流體力學(xué)破碎模型進(jìn)行了比較。通過冰力模型試驗(yàn)，黃焱等［2］研究了海冰的破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)脆性破壞是實(shí)際碰撞中海冰出現(xiàn)的主要破壞特征。張希［3］研究了海冰損傷的延性-脆性轉(zhuǎn)變機(jī)理和微裂紋演化對(duì)海冰性能的影響。Hendriske等［4］研究了冰激振動(dòng)在擠壓破壞和屈曲破壞混合狀態(tài)下的動(dòng)力特性。Aksenov等［5］發(fā)現(xiàn)，冰破碎的裂縫發(fā)展模式是一種隨機(jī)現(xiàn)象且非常不規(guī)則，破冰區(qū)域周圍會(huì)出現(xiàn)小的環(huán)向與徑向裂縫。

在冰荷載研究方面，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究。Sopper［6］開展了一系列的破冰試驗(yàn)，考慮4種邊界條件，研究冰-結(jié)構(gòu)外部邊界條件和幾何接觸形狀對(duì)冰荷載的影響。Hunke等［7］提出2種不同的動(dòng)冰荷載計(jì)算方法，建立海冰動(dòng)力學(xué)彈-粘-塑性模型，彌補(bǔ)了海冰動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷。屈衍［8］通過對(duì)冰荷載現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的冰力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)作用在冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)上的隨機(jī)冰荷載開展研究，探討了不同海冰破壞形式的冰荷載模式。狄少丞等［9］采用粘結(jié)-破碎效應(yīng)離散元海冰模型，得出不同樁腿的冰力時(shí)程曲線與海冰破壞形式有著密切的關(guān)系。由上述研究可知，海冰的冰力幅值、頻率與結(jié)構(gòu)尺寸、冰厚度、冰強(qiáng)度等參數(shù)密切相關(guān)。

施偉等［10］基于HAWC 2耦合數(shù)值分析軟件開發(fā)冰與海上風(fēng)力機(jī)相互作用計(jì)算模型，并對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下5 MW單樁海上風(fēng)力機(jī)耦合動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析，通過數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相比較，驗(yàn)證了所提出模型的準(zhǔn)確性。黃焱等［11］針對(duì)渤海海域三樁式基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)進(jìn)行冰激振動(dòng)分析，建立了表征冰-結(jié)構(gòu)相互作用的綜合控制因子。葉柯華等［12-13］采用強(qiáng)迫冰激振動(dòng)模型，模擬了湍流風(fēng)與浮冰聯(lián)合作用下單樁海上風(fēng)力機(jī)耦合動(dòng)力響應(yīng)。Heinonen等［14］基于FAST研究了柔性結(jié)構(gòu)在海冰擠壓破壞下的動(dòng)冰力和振動(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律，得出空氣動(dòng)力荷載對(duì)冰激振動(dòng)有著顯著影響。朱本瑞等［15］針對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)冰激鎖頻振動(dòng)問題，基于三維擺式阻尼器對(duì)海上風(fēng)力機(jī)的冰激共振現(xiàn)象開展研究。然而以上數(shù)值研究很難考慮冰與海上風(fēng)力機(jī)的耦合作用。

此外，海上風(fēng)力機(jī)碰撞損傷研究大多針對(duì)于船舶撞擊。郝二通［16］通過單樁海上風(fēng)力機(jī)與船舶碰撞分析，研究了海上風(fēng)力機(jī)面積受損程度。丁紅巖等［17］利用非線性有限元法，模擬了船舶沖擊海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)過程，開展了結(jié)構(gòu)的塑性損傷分析。

目前，海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)研究取得了一些進(jìn)展，然而研究主要局限于冰荷載和海上風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)方面，缺少有效的海冰作用下海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)彈塑性損傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，絕大部分冰-結(jié)構(gòu)相互作用研究忽略了冰和結(jié)構(gòu)相互作用的耦合效應(yīng)。針對(duì)上述不足，本文基于非線性有限元分析方法，對(duì)海上風(fēng)力機(jī)在風(fēng)-冰聯(lián)合作用下動(dòng)力特性進(jìn)行研究，得到了動(dòng)冰力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和塑性變形損傷，分析了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，不同冰厚對(duì)海上風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)及變形損傷的影響，提出面積受損率評(píng)價(jià)指標(biāo)用于評(píng)估海上風(fēng)力機(jī)損傷程度，并通過能量變化判定海冰塑性損傷的失效破壞程度。

1 數(shù)值理論

1.1 海上風(fēng)力機(jī)運(yùn)動(dòng)方程

風(fēng)-海冰聯(lián)合條件下海上風(fēng)力機(jī)運(yùn)動(dòng)的一般控制方程為：

[Mx（t）+Cx（t）+Kx（t）=Fwind+Fice]" （1）

式中：[M]、[C]、[K]——海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣；[x（t）]、[x（t）]、[x（t）]——結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度向量；[Fwind]和[Fice]——風(fēng)荷載和冰荷載向量。

其中，在冰與海上風(fēng)力機(jī)相互作用過程中，海冰的動(dòng)力特征可通過以下公式描述為：

[Mice（1+wm）Y+Cdr·Y=Fdr-FiceCeVe+KeVe=Fe]"" （2）

式中：[Mice]——冰排的質(zhì)量矩陣；[Cdr]——冰排的阻尼矩陣；[wm]——附加質(zhì)量因子；[Y]和[Y]——冰排速度和加速度向量；[Fdr]——冰排的拖曳力；[Fe]——接觸點(diǎn)冰單元的接觸冰力向量；[Ce]和[Ke]——冰排斜對(duì)角線阻尼矩陣和剛度矩陣。

進(jìn)而，冰與海上風(fēng)力機(jī)相互作用的耦合機(jī)理在于冰單元的連續(xù)失效破壞，如圖1所示?；诜蔷€性有限元法，當(dāng)受到連續(xù)擠壓的冰單元達(dá)到失效準(zhǔn)則后，可認(rèn)為完全破壞，冰單元在有限元網(wǎng)格上被刪除。從而，刪除的冰單元影響海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。同時(shí)，動(dòng)冰荷載的變化也受到海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步間接改變了海冰的擠壓破壞。

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1.2 海冰本構(gòu)模型

在碰撞過程中，海冰的損傷和破壞通過塑性變形累計(jì)體現(xiàn)。當(dāng)塑性變形累積到一定程度后，海冰即達(dá)到失效臨界值，不再具有承載能力而發(fā)生失效破壞。海冰本構(gòu)模型采用有效塑性應(yīng)變控制海冰壓縮狀態(tài)和截?cái)鄩毫刂评鞝顟B(tài)的失效準(zhǔn)則［18］，如式（3）～式（6）所示。

[εpeqgt;εf] （3）

[εpeq=2/3εpij：εpij]" （4）

[εf=ε0+（p/108-0.5）2]" （5）

[pgt;pc]" （6）

式中：[εpeq]——有效塑性應(yīng)變；[εf]——失效應(yīng)變；[ε0]——初始破壞應(yīng)變，屬于經(jīng)驗(yàn)值［19］；[pc]——截?cái)鄩毫χ担琍a。

1.3 海上風(fēng)力機(jī)本構(gòu)模型

鋼材料的應(yīng)變率對(duì)屈服極限有顯著影響，需要考慮冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用過程中海上風(fēng)力機(jī)的變形與損傷。因此，考慮到極端冰荷載的作用以及鋼材料的應(yīng)變率和塑性力學(xué)行為，本研究的海上風(fēng)力機(jī)本構(gòu)模型選取考慮應(yīng)變率影響的非線性塑性動(dòng)態(tài)材料模型［20］，并以最大塑性應(yīng)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則，如式（7）所示。

[σy=1+εC1P（σ0+βEpεpeff）]"" （7）

式中：[C、P]——與應(yīng)變有關(guān)的常數(shù)；[ε]——應(yīng)變率；[σ0]——初始屈服強(qiáng)度，Pa；[β]——可調(diào)參數(shù)，當(dāng)取為0和1時(shí)，分別表示塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型和等向強(qiáng)化模型；[Ep]——塑性強(qiáng)化模量，Pa，可寫為[Ep=EtE/（E-Et）]，[E]和[Et]為鋼材料的彈性模量與切線模量，Pa；[εpeff]——等效塑性應(yīng)變，可按式（8）計(jì)算。

[εpeff=0t23εpijεpij12dt] （8）

式中：[εpij]——塑性應(yīng)變率，即總應(yīng)變率與彈性應(yīng)變率的差值，如式（9）所示。

[εpij=εij-εeij]" （9）

1.4 接觸-碰撞理論

本文采用對(duì)稱罰函數(shù)法實(shí)現(xiàn)冰-海上風(fēng)力機(jī)接觸算法。在每個(gè)計(jì)算時(shí)間步長[Δt]中檢查接觸面節(jié)點(diǎn)是否穿透主面，如果發(fā)生了穿透則在接觸面上施加一個(gè)與穿透深度和主面剛度相關(guān)的接觸力。接觸體的相對(duì)剛度系數(shù)[kc]可表示為：

[kc=fKA2V，" 體單元fKAl，" 板單元]""" （10）

式中：[f]——接觸剛度因子；[K]——接觸單元體積模量，Pa；[A]——主單元面面積，m2；[V]——主單元體積，m3；[l]——板單元最大對(duì)角線長度，m。

然而，值得注意的是，時(shí)間步長的選取對(duì)顯示積分的中心差分法計(jì)算穩(wěn)定性有著顯著的影響，時(shí)間步長[Δt]需要小于臨界時(shí)間步長[Δtcr]，但過小的時(shí)間步長會(huì)大大降低運(yùn)算效率。臨界時(shí)間步長與時(shí)間步長的關(guān)系可表示為：

[Δt≤Δtcr=2mk=LS] （11）

式中：[m]——質(zhì)量，kg；[k]——?jiǎng)偠?，N/m；[L]——單元的特征長度，m；[S]——材料聲速，m/s，即[L/S]表示穿過單元的彈性應(yīng)力波。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型基本參數(shù)

2.1.1 海上風(fēng)力機(jī)基本參數(shù)

基于美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室提出的NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)參數(shù)［21-22］，建立了本研究的單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)模型。單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子機(jī)艙組件、塔筒、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成，輪轂中心高度為90.0 m，設(shè)計(jì)水深為20 m。海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如圖2和表1所示。

風(fēng)力機(jī)塔筒部分考慮防護(hù)層及附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，材料密度取8500 kg/m3；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料密度取7850 kg/m3。風(fēng)力機(jī)樁基礎(chǔ)采用Q345鋼，塔筒采用Q235鋼?；贑owper-Symond公式，Q235和Q345鋼材料性質(zhì)如表2所示，其中，鋼材料塑性失效應(yīng)變[εlim]取0.348［23］。

2.1.2 海冰基本參數(shù)

冰材料的物理力學(xué)參數(shù)決定了海冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性?；谘芯砍晒?4-25］，本文采用各向同性彈塑性斷裂模型體現(xiàn)海冰的本構(gòu)關(guān)系。其中，失效準(zhǔn)則選取 Von Mises 屈服準(zhǔn)則，并將最大塑性失效應(yīng)變作為冰的破壞準(zhǔn)則。分離模式為最小靜水壓力模式，即將截?cái)鄩毫ψ鳛榕袚?jù)。為有效開展海上風(fēng)力機(jī)損傷研究，海冰失效參數(shù)依據(jù)偏大的極端海況取值［26］。冰模型材料參數(shù)如表3所示。

2.1.3 設(shè)計(jì)工況及荷載參數(shù)

基于IEC規(guī)范推薦的Kaimal風(fēng)速譜模型［27］，以風(fēng)力機(jī)輪轂高度90.0 m為參考高度生成額定風(fēng)速為11.4 m/s的湍流風(fēng)場(chǎng)，湍流強(qiáng)度為15%。風(fēng)速時(shí)程如圖2所示。通過氣彈耦合分析軟件FAST v8得到額定風(fēng)速11.4 m/s湍流風(fēng)作用下的塔筒頂部風(fēng)力機(jī)荷載，以模擬空氣動(dòng)力荷載，如圖3所示。為了研究海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)在海冰作用下的變形損傷以及動(dòng)力特性，選取如表4所列海冰參數(shù)，其中所選取組合工況的冰速為0.6 m/s，對(duì)應(yīng)3種不同冰厚0.3、0.5、0.7 m。

2.2 海冰-海上風(fēng)力機(jī)有限元模型

本文基于ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真軟件，通過Solid 164和Shell 163單元建立海冰-NREL 5 MW單樁風(fēng)力機(jī)數(shù)值仿真模型。將轉(zhuǎn)子機(jī)艙組件等效為集中質(zhì)量，并在集中質(zhì)量位置施加風(fēng)力機(jī)荷載。為了觀察到冰排的充分失效破壞，海

冰的長寬尺寸為35 m×26 m，如圖4所示。同時(shí)在數(shù)值計(jì)算精度的前提下，為提高計(jì)算效率，對(duì)風(fēng)力機(jī)碰撞區(qū)與海冰碰撞區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸為0.15 m，非碰撞區(qū)采用正常剖分處理。由于顯式積分算法存在沙漏現(xiàn)象，故采用Flanagan-Belytschko剛度方法對(duì)碰撞模擬過程進(jìn)行沙漏控制，并對(duì)運(yùn)算收斂性進(jìn)行驗(yàn)證。

同時(shí)，為避免冰與海上風(fēng)力機(jī)的初始接觸，在碰撞之前預(yù)留0.1 m的初始距離。冰與結(jié)構(gòu)接觸選用侵蝕面面接觸，接觸摩擦力為：

[Fy=μfs]"" （12）

式中：[fs]——節(jié)點(diǎn)法向接觸力，N；[μ]——摩擦因子，計(jì)算公式為：

[μ=μd+（μs-μd）e-Dv]" （13）

式中：[μd]——?jiǎng)幽Σ料禂?shù)；[μs]——靜摩擦系數(shù)；[D]——衰減系數(shù)；[v]——接觸面相對(duì)速度。

根據(jù)NREL 5 MW標(biāo)準(zhǔn)海上風(fēng)力機(jī)樁基參數(shù)，將地基土層分為3層［28］，土層剖面如圖5所示。針對(duì)于冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用的邊界條件，常用三維樁-土模型［29］與等效樁方法。為便于計(jì)算，選用等效樁法模擬風(fēng)力機(jī)支撐結(jié)構(gòu)邊界條件，將海上風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)部分替換為等效樁。通過p-y曲線法得到在局部坐標(biāo)系（圖6）下樁基6個(gè)方向自由度的海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)樁基點(diǎn)剛度矩陣，如式（14）所示?；贔AST開展基礎(chǔ)等效樁長度計(jì)算。結(jié)果表明，在保證等效樁基礎(chǔ)與原型基礎(chǔ)的側(cè)向抗力和位移相等的前提下，將等效樁長設(shè)置為17.5 m。

[KSoil=1.83×109000-1.49×1010001.83×10901.49×101000009.57×10900001.49×101001.87×101100-1.49×10100001.87×10110000001.63×1011]" （14）

3 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

3.1 冰荷載及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

基于所建立的冰-塔筒-基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)-樁土相互作用的整體碰撞模型，開展不同冰厚海冰作用下海上風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析。數(shù)值仿真總碰撞時(shí)長為30 s，去除前5 s結(jié)構(gòu)瞬態(tài)反應(yīng)，即采用5～30 s碰撞過程開展研究。同時(shí)，為確保冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用的計(jì)算精度，數(shù)值仿真步長選取為0.0001 s。

冰排與直立結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，由于冰速較高，冰排具有較明顯的脆性破壞特征，冰單元的失效破壞導(dǎo)致圖7的冰荷載在加載-卸載-加載的循環(huán)過程中變化。由圖7對(duì)比可知，冰厚對(duì)動(dòng)冰力有著顯著影響，隨著冰厚的增加，風(fēng)力機(jī)在F-A方向的動(dòng)冰力均值、峰值均增加，比如冰力均值分別為270.36、556.22、726.39 kN。

圖8為0.3、0.5、0.7 m厚度海冰作用下的塔筒頂部加速度響應(yīng)。由圖8可知，隨著冰厚的增加，海上風(fēng)力機(jī)塔筒頂部加速度響應(yīng)明顯增大，最大值分別達(dá)0.199、0.426、0.542 m/s2，可得出冰厚對(duì)海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律有顯著影響。海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)頂部以及法蘭位置在不同冰厚作用下的壓力曲線如圖9所示。由圖9對(duì)比可知，隨著冰厚的增加，塔筒頂部以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)壓力幅值明顯增大。此外，在冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用過程中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)離碰撞位置越遠(yuǎn)，振動(dòng)幅度越小，趨于穩(wěn)定；相反，節(jié)點(diǎn)離碰撞位置越近，振動(dòng)幅度越大。

3.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷分析

基于單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)的規(guī)則結(jié)構(gòu)形狀以及冰、海上風(fēng)力機(jī)材料屬性，本研究提出面積受損率以描述海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)在海冰作用下的受損程度，涉及了海冰和海上風(fēng)力機(jī)兩部分接觸面積，可直觀地反映結(jié)構(gòu)受損區(qū)域。提出的海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)面積受損率可表示為：

[ΔOWT=A2OWTAiceA0×100%，" σ0≤σ≤σmax]" （15）

式中：[ΔOWT]——海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的面積受損率；[AOWT]——碰撞過程中單樁基礎(chǔ)塑性階段屈曲面積，m2；[σ]——結(jié)構(gòu)的Von Mises有效應(yīng)力，Pa；[σ0]——鋼材料屈服強(qiáng)度，Pa；[Aice]——碰撞過程中海冰接觸面的屈曲總面積，m2；[A0]——風(fēng)力機(jī)沿海平面至基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)法蘭面高度的支撐結(jié)構(gòu)表面積，m2，本研究中[A0]取188.4 m2。

在本研究中，為保證海上風(fēng)力機(jī)與海冰接觸面積的穩(wěn)定性，選擇風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完全侵入海冰過程的最大有效應(yīng)力開展風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷分析。表5列舉了不同冰厚工況作用下海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的面積受損率。由表5所列各工況下面積受損率對(duì)比可知，單樁基礎(chǔ)接觸面的面積受損率隨著冰排厚度增加而增大，相鄰工況的面積受損率最大差值為1.62%。進(jìn)一步分析可知，面積受損率與冰厚不是固定的線性關(guān)系，相比于冰厚0.3～0.5 m區(qū)間，0.5～0.7 m區(qū)間面積受損率增長速度（受損率相對(duì)于冰厚的斜率）下降為2.35。這說明，冰厚不但對(duì)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷累積起重要作用，還對(duì)其增長速率有顯著影響。

由圖10展示的不同冰厚作用下海冰侵蝕內(nèi)能變化規(guī)律可知，在海冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用過程中，海冰侵蝕內(nèi)能持續(xù)累積。隨著冰厚的增加，海冰侵蝕內(nèi)能增大，海冰單元失效破壞更加顯著。這說明，冰厚的增大對(duì)海冰非同時(shí)破壞影響顯著［29］，導(dǎo)致動(dòng)冰力時(shí)程波動(dòng)性增強(qiáng)。同時(shí)，侵蝕內(nèi)能的變化造成了海冰在相互作用過程中產(chǎn)生不同的加載-卸載-加載效果，從而影響了動(dòng)冰力與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

由圖11可知，在工況LC-1～LC-3作用下，基于冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用模型計(jì)算得到的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)碰撞接觸面有效應(yīng)力均值分別為208.06、254.45、293.83 MPa。由對(duì)比可知，冰厚的增加進(jìn)一步增大了結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力。上述差異主要?dú)w因于由不同冰厚所造成的侵蝕內(nèi)能的差異，與此同時(shí)，結(jié)合式（15）可知，上述差異將進(jìn)一步影響海冰碰撞下海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的面積受損率。還需指出，此時(shí)最大有效應(yīng)變?yōu)?.003，僅略大于鋼材料的屈服應(yīng)變，即處于初期塑性變形階段，遠(yuǎn)未到達(dá)鋼材的失效應(yīng)變0.348，因此，風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞。

4 結(jié) 論

本文基于非線性有限元方法，考慮冰與海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)耦合作用，建立海冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用的三維精細(xì)化模型，開展風(fēng)-冰聯(lián)合作用下海上風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)及損傷分析。提出表示海上風(fēng)力機(jī)損傷程度的面積受損率，探討不同冰厚對(duì)冰力、海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及損傷的影響。通過開展相關(guān)研究，得到以下主要研究結(jié)論：

1）在相同的冰速下，冰排厚度越大，動(dòng)冰力平均值、峰值越大。由塔頂加速度響應(yīng)對(duì)比可知，冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用過程中，隨著冰厚的增加，塔頂加速度響應(yīng)明顯增大。冰模型的失效破壞引起海冰在相互作用過程中產(chǎn)生的加載、卸載效果顯著，使得動(dòng)冰力和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)發(fā)生明顯變化。

2）冰-海上風(fēng)力機(jī)相互作用過程中，海冰侵蝕內(nèi)能持續(xù)累積。隨著冰厚的增加，海冰侵蝕內(nèi)能隨之增加，這意味著冰厚增加使得海冰破碎效果更明顯，對(duì)海冰的非同時(shí)破壞程度較大，造成動(dòng)冰力時(shí)程周期性下降，波動(dòng)程度增強(qiáng)。

3）本研究提出的面積受損率可有效反映海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)損傷。其面積受損率隨著海冰厚度的增加而增大，然而面積受損率與冰厚不是固定的簡單線性關(guān)系。結(jié)合海冰侵蝕能變化規(guī)律可知，海冰侵蝕能的變化導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力的改變，進(jìn)而影響面積受損率。

4）在海冰撞擊海上風(fēng)力機(jī)的極端工況下，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生彈性甚至塑性變形，因此，開展海上風(fēng)力機(jī)抗冰研究是十分必要的?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)碰撞位置的有效應(yīng)力、應(yīng)變遠(yuǎn)大于其他位置，容易積累變形損傷。為保證結(jié)構(gòu)安全，可采用高強(qiáng)度鋼或破冰錐等防護(hù)裝置，提高海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)抗冰性能。

綜上，冰厚對(duì)于風(fēng)-冰聯(lián)合作用下海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及損傷具有重要影響。本文提出的面積受損率可有效反基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的受損面積，定量評(píng)估基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受損程度。因此，有必要進(jìn)一步通過數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)面積受損率隨冰厚變化曲線，為工程抗冰設(shè)計(jì)提供參考。

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COUPLING DYNAMIC CHARACTERISTICS AND DAMAGE ANALYSIS OF OFFSHORE WIND TURBINES UNDER SEA ICE IMPACT

Liu Yingzhou1，2，Shi Wei2，3，Wang Wenhua1，2，Li Xin1，2，Wang Bin4，5

（1. Institute of Earthquake Engineering， Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China；

2. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China；

3. Deepwater Engineering Research Center， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China；

4. Key Laboratory for Far-shore Wind Power Technology of Zhejiang Province， Hangzhou 311122， China；

5. POWERCHINA Huadong Engineering Corporation Limited， Hangzhou 311122， China）

Keywords：offshore wind turbines； pile foundations； area damage rate； dynamic response； sea ice