海上吸力基礎(chǔ)式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究

陳 實(shí)，李書兆，邳 帥，顧雨晨，王 懿

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司，天津 116026

2.中海油研究總院，北京 100028

3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249

海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)受氣動(dòng)荷載、水動(dòng)力荷載和控制荷載等多荷載作用的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，相對(duì)于僅受風(fēng)載的陸上風(fēng)機(jī)而言，海洋環(huán)境和地質(zhì)條件更為復(fù)雜。在服役期間，風(fēng)、波浪及海流等環(huán)境荷載對(duì)海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的作用，對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響極大。因此利用風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析來確保復(fù)雜環(huán)境條件下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)安全是海上風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)研究首先要解決動(dòng)態(tài)環(huán)境荷載的時(shí)域仿真問題，風(fēng)荷載、波浪荷載和海流荷載是風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)研究最多也是最主要的部分。在對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，大多針對(duì)多種工況和荷載組合情況進(jìn)行動(dòng)力特性的分析研究。SCHWARTZ S 等[1]通過海洋環(huán)境荷載的疲勞荷載譜對(duì)海上風(fēng)機(jī)塔架進(jìn)行了頻域分析和時(shí)域分析，將風(fēng)機(jī)整體視為一個(gè)由葉片和塔架組成的多體動(dòng)力系統(tǒng)，在風(fēng)荷載作用下，風(fēng)輪葉片揮舞振動(dòng)與塔架的前后振動(dòng)之間存在動(dòng)力耦合效應(yīng)。王明超等[2]對(duì)比了p-y 曲線法、m 法和接觸單元法等多種樁土相互作用模型下的單樁式海上風(fēng)機(jī)，在風(fēng)、浪荷載單獨(dú)作用和聯(lián)合作用下正常工況的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況。張小玲等[3]根據(jù)Turkstra 準(zhǔn)則將荷載進(jìn)行疊加組合，研究對(duì)單樁風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)最不利的荷載組合方式。沈玉光[4]對(duì)3 MW 筒型基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，通過線性疊加法和Turkstra 準(zhǔn)則構(gòu)建了多個(gè)荷載組合，以此來分析比較結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)位移和應(yīng)力。Turkstra 準(zhǔn)則是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A58推薦的多荷載組合方法，該方法基于不同類型的荷載不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值的假設(shè)，目的是通過考慮不同荷載的作用方式和方向，來確定一個(gè)適當(dāng)?shù)暮奢d組合，以保證結(jié)構(gòu)在不同荷載情況下的安全性和可靠性。該方法組合形式較為充分，同時(shí)是ABS、DNV GL 等機(jī)構(gòu)在海工設(shè)計(jì)計(jì)算中推薦的荷載組合方法[5-6]。由上述分析可知，現(xiàn)有對(duì)于海上風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)分析研究多采用近似或解耦模擬，該方法對(duì)于常規(guī)海上結(jié)構(gòu)物具有一定的適用性，研究對(duì)象通常為海上單樁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，但對(duì)于動(dòng)態(tài)耦合較復(fù)雜的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)顯然是不夠準(zhǔn)確的[7]。

在海上風(fēng)機(jī)建模方面，目前對(duì)于固定式海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析多采用分離式建模的分析方法[8-11]。雖然該分析方法仿真時(shí)間短，但在一定程度上忽略了多荷載耦合作用下風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的耦合效應(yīng)，且由于風(fēng)機(jī)屬于結(jié)構(gòu)自身負(fù)有激勵(lì)的海上結(jié)構(gòu)物，所以對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析不僅要考慮復(fù)雜海洋環(huán)境荷載的影響因素，還要合理地考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況下所產(chǎn)生的運(yùn)行荷載[12-14]。

綜上所述，本文在系統(tǒng)研究吸力基礎(chǔ)式海上風(fēng)機(jī)所受主要環(huán)境荷載的模擬及其計(jì)算方法基礎(chǔ)上，提出一種綜合考慮風(fēng)機(jī)塔筒、單樁和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)機(jī)動(dòng)力耦合分析方法。運(yùn)用此方法針對(duì)吸力基礎(chǔ)固定式海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析，研究其在多種荷載組合方式下的動(dòng)力特性，并探究了對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最不利荷載組合情況，對(duì)固定式風(fēng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 吸力基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)模型建立

本文選取美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）開發(fā)的5MW基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)模型，主要基本參數(shù)如表1所示。

表1 5 MW的NREL風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

采用ABAQUS 軟件建立了考慮風(fēng)機(jī)塔筒、單樁和吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，如圖1 所示，風(fēng)機(jī)葉片和機(jī)艙簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊加載在風(fēng)機(jī)頂部。塔筒參數(shù)按照5 MW 的NREL 風(fēng)機(jī)參數(shù)取值，單樁和吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)見表2。塔筒、單樁和吸力基礎(chǔ)全部選用Q345 鋼，材料參數(shù)見表3?；贛ohr-Coulomb 土體本構(gòu)模型建立吸力基礎(chǔ)與土相互作用模擬模型。整體模型的網(wǎng)格劃分單元類型均使用C3D8R實(shí)體單元。

圖1 吸力基礎(chǔ)模型及加載方式

表2 單樁-吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 Q345鋼材材料參數(shù)

在動(dòng)力分析步中，通過設(shè)置200 s 的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析；定義相應(yīng)的邊界條件和荷載設(shè)置，將塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段處理以施加風(fēng)荷載，水動(dòng)力荷載作用于單樁結(jié)構(gòu)上，其中對(duì)于波浪荷載的施加應(yīng)考慮波高，將荷載作用區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。根據(jù)材料參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和土體賦予相應(yīng)的材料屬性。

2 海上風(fēng)機(jī)整體耦合分析方法

2.1 多荷載作用下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)耦合分析方法

在海洋環(huán)境中，固定式風(fēng)機(jī)主要受氣動(dòng)荷載和水動(dòng)力荷載作用，且通過海底土層的反力支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)物。在這個(gè)過程中空氣動(dòng)力與水動(dòng)力同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生加速度和速度，引起位移與應(yīng)力的變化，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)反過來又影響外部環(huán)境荷載的計(jì)算，這是一個(gè)空氣動(dòng)力、水動(dòng)力和結(jié)構(gòu)動(dòng)力之間的強(qiáng)耦合過程。因此，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)模型是一個(gè)空氣動(dòng)力-水動(dòng)力-非線性土體-彈性體耦合的模型，其氣動(dòng)荷載與水動(dòng)力荷載聯(lián)合作用下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的耦合運(yùn)動(dòng)方程如式（1）所示。

上述動(dòng)力方程包含的環(huán)境荷載具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，且基礎(chǔ)與土相互作用對(duì)于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)具有顯著影響，因此本文將基于ABAQUS 的動(dòng)力隱式分析方法，采用直接積分法進(jìn)行動(dòng)力方程的求解，建立具有可行性的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)耦合分析方法。

2.2 海上風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算及模型建立

本文對(duì)水深為50 m 的陽(yáng)江海域進(jìn)行研究，取表4所示的風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況與極端工況參數(shù)作為后續(xù)模擬的基礎(chǔ)參數(shù)。

表4 海況環(huán)境參數(shù)

2.2.1 隨機(jī)風(fēng)荷載計(jì)算

風(fēng)荷載主要指由氣流運(yùn)動(dòng)作用在結(jié)構(gòu)上的動(dòng)壓力，現(xiàn)實(shí)中風(fēng)對(duì)于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的作用是一個(gè)隨機(jī)變量，主要包含風(fēng)機(jī)頂部葉片風(fēng)荷載和塔架上風(fēng)荷載。

1）風(fēng)機(jī)頂部氣動(dòng)荷載計(jì)算。風(fēng)機(jī)頂部葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)研究中通常采用經(jīng)典葉素-動(dòng)量理論進(jìn)行風(fēng)機(jī)頂部氣動(dòng)荷載計(jì)算。通過查閱5 MW 風(fēng)機(jī)設(shè)備相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)《Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development》[10]可知，在平均風(fēng)速超過風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)艙中的變槳距系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)葉片槳距角，對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩和功率進(jìn)行控制，使頂部結(jié)構(gòu)減小受力，在平均風(fēng)速達(dá)到極端風(fēng)況時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)入停機(jī)空轉(zhuǎn)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。

因此在不同風(fēng)況下，風(fēng)機(jī)頂部受載可總結(jié)為：

式中：T運(yùn)行頂部為風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況下的頂部所受荷載，N；F風(fēng)荷載（額定）為風(fēng)機(jī)受到的額定風(fēng)載荷，N；F運(yùn)行荷載為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的荷載，N；T極端頂部為風(fēng)機(jī)在極端工況下的頂部所受荷載，N；F風(fēng)荷載（極端）為風(fēng)機(jī)在極端工況下受到的風(fēng)荷載，N。

本文的相關(guān)研究以5 MW 的NREL 基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)為例，基于穩(wěn)態(tài)風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)的模擬方法，結(jié)合葉素-動(dòng)量理論，對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)荷載計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 風(fēng)荷載計(jì)算

2）風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)荷載計(jì)算。根據(jù)NB/T 10105—2018《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的設(shè)計(jì)要求，在對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，考慮到塔筒結(jié)構(gòu)的高聳特性，需將其沿高度方向分段進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，塔筒風(fēng)荷載的施加為將每段的風(fēng)荷載進(jìn)行疊加。

作用在風(fēng)機(jī)塔筒上的風(fēng)荷載其計(jì)算公式如式（4）所示。

式中：Ft為作用在風(fēng)機(jī)塔筒上的風(fēng)荷載，N；ρ 為空氣密度，kg/m3，取1.226；CD為拖曳力系數(shù)，塔筒為圓柱截面，取0.47；A 為迎風(fēng)面積，m2；v(t)為風(fēng)速，m/s；t為風(fēng)荷載作用時(shí)間，s。

將高度為87.6 m 的塔筒結(jié)構(gòu)由下至上分為9 段進(jìn)行處理，其中第9 段塔筒為80～87.6 m，取每段中點(diǎn)處的高度為風(fēng)荷載時(shí)程計(jì)算的水平高度，分別為5、15、25、35、45、55、65、75、83.8 m。

2.2.2 非線性波浪荷載計(jì)算

波浪的周期、波高等因素關(guān)系著結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，本文采用諧波疊加法描述波浪的非線性特征，再結(jié)合Morison 方程對(duì)其進(jìn)行波浪荷載的時(shí)域性計(jì)算。

對(duì)于樁結(jié)構(gòu)的波浪荷載計(jì)算采用工程上典型的Morison 方程，結(jié)合上述研究所得的波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)程曲線，即可得到作用在塔筒上的波浪荷載時(shí)程曲線。作用在單位長(zhǎng)度塔筒上的波浪力表達(dá)式如式（5）所示。

式中：dF 為波浪載荷，N；ρ 為流體密度，kg/m3；D 為結(jié)構(gòu)直徑，m；CM為慣性力系數(shù)；vx為波浪速度，m/s；z為塔筒高度，m。

將單位長(zhǎng)度為n 的波浪力沿樁長(zhǎng)度方向積分，計(jì)算總的波浪力，見式（6）。

式中：F為總的波浪力，N。

基于Morison公式和模擬的隨機(jī)波高時(shí)程曲線，以5 MW 海上風(fēng)機(jī)為例，得到波浪荷載時(shí)程曲線，以極端工況為例，如圖3所示。

圖3 波浪荷載計(jì)算

2.2.3 海流荷載計(jì)算

海流荷載計(jì)算結(jié)果見圖4。海流力的大小與流速與水深的變化直接相關(guān)，工程上針對(duì)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，通常以ABS 與DNV 推薦使用的公式計(jì)算海流流速[15]，即：

圖4 流荷載計(jì)算

式中：vh為距海底面h 處海流的流速，m/s；vt0為海面表層的潮流速度，m/s；vm0為海面表層的風(fēng)海流速度，m/s；h 為流質(zhì)點(diǎn)距海底面的計(jì)算深度，m；H 為目標(biāo)海域水深，m；ε 為風(fēng)流系數(shù)，0.024≤ε≤0.05；V為海面10 min內(nèi)平均風(fēng)速，m/s。

3 風(fēng)浪流荷載耦合作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 線性疊加法

本文選取的第一種多荷載作用組合方式為線性疊加法，其在時(shí)域上將風(fēng)浪流荷載進(jìn)行線性組合，將疊加后的環(huán)境荷載直接作用到結(jié)構(gòu)上，不考慮其他特殊情況。線性疊加法組合形式見式（11）。

式中：F線(t)、F風(fēng)(t)、F浪(t)和F流(t)分別表示線性疊加荷載、風(fēng)荷載、浪荷載和流荷載，N。

風(fēng)浪流荷載線性組合作用下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況如圖5所示。

圖5 基于線性疊加法的風(fēng)浪流荷載耦合作用下風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)情況

綜上所述，從以風(fēng)浪流荷載線性疊加進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析所輸出的塔筒頂部位移和吸力基礎(chǔ)頂部位移時(shí)程曲線來看，可以判斷出風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在極端工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更為劇烈。為進(jìn)一步對(duì)該結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)分析多荷載耦合作用下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的受力情況，結(jié)合吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力主要集中在樁體的頂部與肋板的連接處，并且吸力基礎(chǔ)頂部也有明顯的承力特性，針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大受力部位進(jìn)行分析研究。樁體和吸力基礎(chǔ)最大應(yīng)力部位的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖6 所示。

圖6 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位最大應(yīng)力時(shí)程曲線

通過基于傳統(tǒng)理論的線性疊加法在風(fēng)浪流荷載聯(lián)合作用下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析可知，極端工況下環(huán)境荷載對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)影響極大，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性也更具有研究代表性，因此在后續(xù)采用Turkstra 準(zhǔn)則進(jìn)行荷載組合時(shí)，選取最有代表性的響應(yīng)情況更劇烈的極端工況進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

3.2 Turkstra準(zhǔn)則

本文選取的第二種多荷載作用組合方式為國(guó)際上普遍采用的Turkstra 組合方法，Turkstra 建議輪流地以一個(gè)荷載效應(yīng)在[0，T]的極值與其余荷載效應(yīng)的瞬時(shí)值組合。故本節(jié)所計(jì)算的荷載組合為表5的組合工況。

表5 組合工況

分別通過上述6 種常見的不同極端荷載組合方式，對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，同上文所述，本節(jié)依舊以塔筒頂部位移、吸力桶頂部位移時(shí)程曲線以及樁體和吸力基礎(chǔ)最大應(yīng)力部位的應(yīng)力時(shí)程曲線作為主要分析因素，通過有限元模擬，計(jì)算所得結(jié)果如圖7所示。

圖7 基于Turkstra準(zhǔn)則的風(fēng)浪流荷載耦合作用下風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)情況

各組合下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果表明，以組合5 對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在分析時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)幅度影響最顯著。因此選取組合5 作為Turkstra 準(zhǔn)則組合下的代表組合，將其與上節(jié)中通過線性疊加法計(jì)算的極端工況結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。極端工況下的線性疊加法與Turkstra 準(zhǔn)則的對(duì)比分析如圖8 所示，可以觀察到，采用線性疊加法所獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性與組合5 作用下的計(jì)算結(jié)果相似度較高，從結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和應(yīng)力情況可以判斷，組合5 的荷載作用對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響更大，并且Turkstra 準(zhǔn)則結(jié)果更加保守，因此通過上述分析，以外部激勵(lì)對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng)的極值、幅度的影響，以及以結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的動(dòng)力特性作為依據(jù)，可以確定組合5（風(fēng)、流荷載為極限工況）為具有研究代表性的最不利荷載組合方式。在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和選址時(shí)，應(yīng)盡可能避免這些荷載的組合情況。

圖8 線性疊加法與Turkstra準(zhǔn)則對(duì)比分析

4 結(jié)論

本文以5MW 吸力基礎(chǔ)固定式海上風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，構(gòu)建了多荷載作用下的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)耦合分析方法，采用不同荷載疊加方法，通過有限元軟件開展了風(fēng)浪流聯(lián)合作用下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，獲得以下主要結(jié)論。

1）海上風(fēng)機(jī)受到空氣動(dòng)力、水動(dòng)力、基礎(chǔ)與土非線性作用力的耦合作用，應(yīng)采用建立海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和塔筒耦合模型方法開展動(dòng)力響應(yīng)分析。從本文選擇的吸力基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)位移最大區(qū)域在塔筒頂部，應(yīng)力最大區(qū)域在吸力基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)塔架的連接處。

2）通過對(duì)線性疊加法和Turkstra 準(zhǔn)則的對(duì)比分析驗(yàn)證，可以看出，采用Turkstra 準(zhǔn)則能更準(zhǔn)確地獲得對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)最不利的荷載組合方式，可以為實(shí)際工程中海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。