漂浮式潮流电站载体结构疲劳分析

2015-12-12徐国明孙苏龙

船舶标准化工程师 2015年4期

关键词：谱分析传递函数波浪

徐国明，孙苏龙，刘峰

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071；2.沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129；3.哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

潮流能是具备商业化运营潜力的新能源之一，因其分布广泛、储量巨大、可利用度高、环境污染小，而备受各国的重视[1]。目前，潮流电站水轮机主要有水平轴和立轴两种，潮流电站载体主要有漂浮式、桩柱式和座底式三种[2]。

漂浮式潮流电站载体在风、浪、流环境载荷作用下发生六自由度运动，同时承受波浪作用在载体上的交变载荷，而载体结构的安全寿命往往取决于其疲劳特性，因此进行疲劳分析很有必要。

目前针对疲劳分析，有简化计算法和直接计算法两种方法[3]。本文应用直接计算法中的谱分析法，对某 200kW 漂浮式潮流能电站载体结构节点进行疲劳分析。由水动力计算软件SESAM求出载体在规则波下的波浪力响应值，再将其加载到 ANSYS结构模型上，通过节点应力传递函数得到疲劳点的应力值，进而应用疲劳短期累积损伤理论和S-N曲线计算热点的疲劳寿命。

1 计算模型

1.1 载体形式及主尺度

200kW漂浮式潮流电站载体为艏艉、左右对称的“中”字形，承载水平轴双叶片可变桨式水轮机，工作于斋堂岛海域。电站外形如图1所示，主尺度如表1所示。

图1 200kW漂浮式潮流电站示意图

表1 潮流电站主尺度

1.2 疲劳计算模型

本文选取潮流电站载体结构两个热点进行分析。热点1位于首部甲板与中体交汇处，此点是屈服和屈曲分析中局部应力较大的点；热点2位于甲板中部，此处由于经常处于中垂或中拱波浪载荷作用状态，交变应力较大。

网格单元均为四边形单元，从热点附近的细网格逐渐往外扩散，最终与全船网格连接，保证应力传递的梯度[4]。在 ANSYS中建立的疲劳计算模型如图2所示。

图2 潮流能电站载体疲劳分析模型

2 电站载体疲劳分析

谱分析法是研究载荷和结构响应的方法。当电站载体漂浮于海面上时，会对波浪的作用做出相应的响应，产生交变应力[5]。针对船舶来讲，整个系统的响应可以用功率谱密度与应力幅值和波浪谱密度之间的关系来表示，见式(1)。

式中：H(σs)称作应力范围传递函数；|H(σs)|2称作响应幅值算子；Gηη(ω)是波浪谱密度函数。

本文应用谱分析法对所选节点进行疲劳可靠性分析，其具体分析流程如图3所示。

图3 谱分析法流程

2.1 波浪载荷计算

根据潮流电站工作海域环境，确定计算波浪载荷的工况和参数，如表2所示。

采用SESAM软件计算各浪向角与波频组合下的 RAO响应值。因载体结构的对称性，故计算0°～90°浪向角即可。浪向角与频率相互组合，共计算80种工况，得到了电站载体湿表面在每一种工况下单位波幅作用下的压力值，计算结果用实部和虚部表示。

计算结果包括2236个湿表面单元在单位波幅下的压力值，共有160个结果文件，用于ANSYS中计算发电载体的结构响应。

表2 波浪载荷计算工况和参数

2.2 热点应力传递函数计算

计算疲劳部位的热点应力时，通过ANSYS软件分别加载每个工况下的波浪载荷及载体的惯性载荷，提取距离热点位置为0.5t和1.5t单元表面的最大主应力，再根据线性插值的方法外推热点应力传递函数大小。插值方法如图4所示。

图4 热点应力插值示意图

以热点1为例，在浪向角为30°，波浪频率为0.5rad/s时热点附近两个单元应力相应分别为5.6MPa和4.6MPa。根据插值公式，可以求出在此工况下实部和虚部分别加载后，热点传递函数大小为6.7MPa。同样的方法可以求出在每个工况下的热点应力传递函数值，所有浪向和频率组合工况下的热点1应力范围传递函数如图5所示。