基于SACS-Bladed的海上风电机组基础结构疲劳分析方法研究

文 | 吴永祥，罗翔



基于SACS-Bladed的海上风电机组基础结构疲劳分析方法研究

文 | 吴永祥，罗翔

海上风电机组基础与陆上风电机组基础受力情况不同，除了承受风载荷、上部风电机组运行载荷以外，还承受波浪、海流等载荷，因此进行多工况下风电机组基础的疲劳分析是工程设计过程中的难点。海上风电机组基础属于海洋结构工程范畴，但因为风电机组塔筒结构兼具高耸结构的特性，动力特性明显，易发生疲劳损伤，同时风电机组支撑结构又具有自身受力特点，因此对海上风电机组基础结构分析需要考虑：土壤+波浪+支撑结构+塔筒+机舱叶片的整体结构分析模式。

本文以某四桩导管架海上风电机组基础支撑结构为例，通过海洋工程设计软件SACS以及风电机组载荷计算软件Bladed联合进行疲劳计算分析。分析过程全面考虑了海上风电机组的疲劳载荷，包括波流载荷和风电机组载荷时程曲线，参考选取API、DNV等规范建议的S－N曲线，基于Miner疲劳累积损伤理论进行结构管节点疲劳寿命计算，计算效率高、分析精确，为海上风电机组基础在风波流耦合条件下的结构疲劳分析提供一定的方法和思路。

疲劳分析方法

海洋平台结构一般采用谱疲劳分析方法：该方法认为波浪载荷是造成海洋平台结构疲劳的主要原因，通过波浪的概率分布来计算结构的疲劳寿命，称为谱疲劳分析方法。陆上风电机组结构的疲劳分析，一般采用风电机组等效疲劳载荷来进行结构的疲劳计算。而对于海上风电机组基础来说，同时要承受波浪载荷和风电机组载荷的耦合作用。

现有的欧洲、国内的工程实践以及研究表明，疲劳分析是海上风电机组基础结构的设计难点，疲劳工况也是风电机组支撑结构分析的控制工况。现有的一些分析方法是将风电机组疲劳损伤和波浪疲劳损伤进行简单叠加，而国外的研究表明，此种做法过于保守，实际上应该考虑风电机组载荷和波浪载荷的耦合效应。国外欧洲Utgrunden项目采用的是风电机组载荷疲劳损伤和波浪疲劳损伤分别计算，然后采用平方和开平方得到最终疲劳寿命；Blyth项目采用的是完全时域模拟方法，将风电机组疲劳载荷和波浪疲劳载荷全时间域内计算，共计90个工况。Jan van则提出采用完全时域模拟方法，并用于实际项目结果符合良好。国内方面，目前的疲劳设计中，一般采用传统的等效载荷疲劳分析方法进行分析。

疲劳载荷分析

一、风电机组载荷

海上风电机组支撑结构主要载荷是风电机组载荷。目前国内风电机组载荷计算一般选用专业计算软件GH Bladed，而海上风电机组支撑结构设计属于海洋工程领域，在具体的分析过程中，一般由风电机组厂家按照IEC 61400规范要求提供相应的风电机组载荷。

二、环境载荷

海上风电机组基础支撑结构受到的环境荷载主要为风、波流载荷。一般采用常规海洋工程方法计算，作用于支撑结构以及塔架上的风载荷按照静态风压计算，波流载荷按照API RP-2A 规范中的Morison公式计算。

三、动力特性

海上风电机组支撑结构塔筒刚度较小，结构较柔，易发生共振，动力特性明显。一般基础支撑结构设计需要满足结构的固有频率介于风电机组叶片的频率1P和3P之间，并考虑10％的安全系数，保证结构不会发生共振。

疲劳分析流程

传统的海洋结构物疲劳分析方法和风电机组基础结构疲劳分析方法都有一定的局限性，随着分析技术的进步以及专业设计软件的发展，本文通过采用SACS软件和Bladed软件建立起合适的专业数据接口，找到一种合理的计算方法对风电机组疲劳载荷和波浪载荷进行耦合分析。具体疲劳分析流程如下：

（一）采用SACS软件建立风电机组基础结构模型，并根据轮毂高度模拟建立塔筒模型。

（二）依据API RP 2A规范计算得出土壤特性曲线，竖向载荷－位移T-Z曲线、桩尖载荷－位移Q-Z曲线以及侧向承载力－位移P-Y曲线。

（三）通过SACS对风电机组基础结构进行计算，并输出BLADED可读取的基础结构数据文件precede.$PJ。

（四）运行分析程序BLADED直接读取基础结构数据文件precede.$PJ，然后根据IEC61400-1_ed3设计规范进行疲劳工况计算（N个）。通过计算然后分别把每个工况下的疲劳力存储在相应的文件夹X（X是1-N，下同）下的文件thload（x）.dat中，对应的风的时程力曲线存储在相应的文件夹X下的文件thwind（x）.dat中，然后把每个工况对应的波浪参数存储到相应的文件夹X下的文件wvrinp（x）.dat中。

（五）风电机组基础的疲劳计算步骤

1．根据基础结构模型、海况条件和土壤条件进行桩基线性化，生成桩基的超单元文件dynsef.sup。

2．进行桩基结构动力分析，读入上步结果文件dynsef. sup生成结构的刚度矩阵dynmod.dyn和质量矩阵dynmas. dyn。

3．疲劳工况荷载1条件下，读入疲劳时程力、风、波对应的文件thload（1）.dat、thwind（1）.dat、wvrinp（1）. dat和结构的刚度矩阵dynmod.dyn和质量矩阵dynmas.dyn文件然后生成wvroci.dat文件，该文件存储内容为把结构所附加的时程力、波谱力等转化为SACS LOAD，然后进一步的通过wvroci.dat和dynsef.sup生成静力公用输出文件saccsf（1）.dat，该文件存储内容为结构在该工况1下的节点应力最大值和最小值，也即节点应力幅。然后通过saccsf （1）.dat和疲劳设置文件ftginp（1）.dat共同进行该工况1下的疲劳计算，生成该工况1下的疲劳寿命文件ftglst（1）. dat和疲劳累积损伤文件ftgdmo（1）.dat。

4．疲劳工况荷载2条件下，读入疲劳时程力、风、波对应的文件thload（2）.dat、thwind（2）.dat、wvrinp（2）. dat和结构的刚度矩阵dynmod.dyn和质量矩阵dynmas.dyn文件然后生成wvroci.dat文件，该文件存储内容为把结构所附加的时程力、波谱力等转化为SACS LOAD，然后进一步的通过wvroci.dat和dynsef.sup生成静力公用输出文件saccsf（2）.dat，该文件存储内容为结构在该工况2下的节点应力最大值和最小值，也即节点应力幅。然后读取saccsf （2）.dat和疲劳设置文件ftginp（2）.dat，以工况1下输出的疲劳累积损伤文件ftgdmo（1）.dat共同进行该工况2下的疲劳计算，生成该工况2下的疲劳寿命文件ftglst（2）. dat和疲劳累积损伤文件ftgdmo（2）.dat。

5．疲劳工况X条件下，重复上面的步骤，疲劳计算中读取X-1工况下的疲劳累积损伤输出文件ftgdmo（X-1）. dat用于进行疲劳寿命计算，然后输出疲劳累积损伤文件ftgdmo（X）.dat用于X+1工况下的疲劳计算。

6．疲劳工况N条件下，重复上面的步骤，读取N-1工况下的疲劳累积损伤输出文件ftgdmo（N-1）.dat用于进行疲劳寿命计算,生成疲劳结果文件ftglst（N）.dat即为结构的疲劳寿命。

通过以上步骤，实现了利用专业分析软件进行海上风电机组基础结构的风波流耦合分析。

疲劳部位分析

一、管节点结构

海上风电机组基础结构主要为圆管结构，造成其破坏的主要情况有弯曲、轴向拉伸和弯曲、剪切、扭转以及静水压力的共同作用等。管节点是海上风电机组支撑结构的薄弱位置，设计过程中应满足构造强度、抗冲剪强度和焊缝疲劳强度等要求。管节点示意图见图1。

管节点构造强度应满足：

抗冲剪强度应满足：

管节点设计疲劳寿命的安全系数根据重要性和所处位置选取不同数值，参照DNV-OS-J101规范要求其取值从1.0－3.0。

由于SACS软件内置了各种规范以及相应的S－N曲线，在设计过程中可以根据需要直接选用相应的规范。国内钢结构疲劳计算选取的S－N曲线一般基于陆上钢结构设计而定，没有考虑海洋环境腐蚀、海生物等因素对海上结构物疲劳寿命的影响。综合考虑，在本次计算中选取美国石油工程学会API推荐的S－N疲劳损伤曲线，见图2。

工程案例分析

一、风电机组结构模型

本工程为某海上3MW风电机组四桩导管架基础支撑结构，塔筒高度为90m，恒定转速为18rpm，使用寿命20年。风电机组所处海域水深20m，一年一遇风速25.3m/s。波高为6.2m，波周期为10.2s。导管架基础桩径1.8m，入泥深度为65m，风电机组导管架基础支撑结构、桩结构及塔筒结构组合模型如图3所示。

二、疲劳寿命分析

对于导管架中的主要管节点进行疲劳分析，疲劳损伤曲线选用API规范建议的S－N曲线，应力集中系数根据DNV规范建议的Efthymiou方法计算。通过第3节中的计算流程和方法对导管架结构进行疲劳分析，主要管节点疲劳寿命分析结果见图4。

三、疲劳结果分析

海上风电机组机组设计寿命一般为25年，从图4可以看出，导管架结构主要管节点的疲劳寿命能够满足设计要求，结构是安全的。有别于常规的疲劳分析方法，本工程案例中通过复杂的程序转换与数据处理，实现了海上风电机组基础风波流耦合疲劳分析。由于风电机组载荷和波浪载荷计算分别属于两个专业，涉及不同的领域，国内外设计过程中也没有统一的方法，因此在设计过程中对规范的选取以及参数选择等还需要进行深入的研究以确保分析结果的准确性和可靠性。

结论

针对海上风电机组基础结构疲劳载荷特点，本文利用海洋工程分析软件SACS和风电机组载荷计算软件Bladed进行联合计算。通过Bladed软件输出了风作用下风电机组基础结构的疲劳应力时程曲线，然后通过SACS软件内置的疲劳分析模块，最终实现了海上风电机组基础结构的风波流耦合疲劳分析计算。相比较现有的波浪谱疲劳分析以及简单的等效载荷疲劳分析方法，本文提供了一种风波流耦合计算的疲劳分析方法及分析流程，并通过导管架风电机组基础结构工程案例进行了计算，为以后的工程设计提供了新的分析思路。

（作者单位：龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司）