冰区海上风机基础的振动分析

王国军，张大勇，娄春娟，岳前进，罗成喜

(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023； 2.大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221；3.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，长沙 410014)

冰区海上风机基础的振动分析

王国军1，张大勇2，娄春娟2，岳前进2，罗成喜3

(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023； 2.大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221；3.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，长沙 410014)

摘要：为了能够明确冰区风电基础结构的抗冰性能及抗冰设计的合理性，基于多年冰与结构现场观测及冰荷载的研究成果，明确适合于海上风电基础的冰荷载模型；采用ANSYS有限元数值模拟方法，选取拟建在渤海的风电基础结构，分析典型冰况下该类结构的冰振响应，并与风振响应相比对。结果表明，冰荷载和风荷载是冰区风机基础结构设计中的控制荷载，并且冰激振动较为显著。因此，冰区风电基础设计中应当考虑冰荷载的影响。

关键词：冰区；风机基础；冰荷载；冰激振动

海上的风有其独特的特点，主要是风速和风向比较稳定，风能储备比较大，对于环境的负面影响较小，具有高风速、低湍流、高产出特点[1]，总体风况要优于陆地。近几年我国风电产业发展迅速，2013年，我国风电发电量达到1 400亿kW·h，超过核电，成为我国第三大电力供应源[2]。

在结冰海域设计和建造的风电基础及升压站结构必须具备一定的抗冰性能，确保结构的冬季安全运行。在结冰海域，海冰在潮流与风的作用下发生漂移，会与结构发生相互作用。实践中发现，在多数结冰海域，冰对海洋结构的作用，要远比波浪和风的影响大得多，冰荷载是结冰海域海洋结构物的控制荷载，从已有的寒区海上结构的历史来看，发生过多起海冰引起结构破坏的事故，例如，1963年，美国库克湾两座简易平台被冰推倒[3]，2000年1月，渤海辽东湾某油气平台在海冰作用下发生剧烈的振动，造成井口排空管线断裂，法兰松动，平台被迫停产。对于海上风电结构目前的规范及一些研究主要是对风浪流，以及地震进行的分析，对于冰区海上风电结构面临的冰荷载目前没有此类规范，这方面的研究也较少。海上风电基础有单桩和多桩形式，多桩基础类似于导管架结构，区别在于风机基础水面处的结构直径在4～5 m，而导管架结构一般在2 m左右，风机水面以上结构大约在80 m以上，而导管架平台一般在20 m左右，风机结构更偏柔性。从冰与结构相互作用分析，可将结构分为窄体结构和宽体结构。冰破碎时不易在结构前发生堆积，冰在结构处发生破碎时，存在同时破碎现象，则认为此类结构为窄体结构。从风电基础分析来看，属于窄体结构。对冰区窄体结构的冰荷载进行的研究总结出了海冰与窄体结构相互作用的冰荷载模型和结构响应特点[4-6]。但这些研究主要集中在海洋石油平台的抗冰设计上。

对于在渤海地区建立风电场面临的海冰荷载需要深入研究。本文通过海上风机面临的一般动荷载，以及渤海海上石油平台面临的动冰荷载情况[7-8]分析冰区海上风机基础可能面临的动荷载情况，并通过数值模拟的方法分析风机在这些动荷载作用下的响应。

1风机动荷载模型

对于冰区海上结构所面临的动力荷载主要有风、波浪，以及冰。由于目前海上风电场多建立在无冰区，未考虑过海冰对风电基础的影响情况。从已有的寒区平台的监测数据来看[9]，动冰力能够引起海上结构较大的响应。因此，要在冰区建立海上风电场，需要分析风、波浪，以及冰等动力荷载对风机的作用。

1.1风荷载

在风的时程曲线中，瞬时风速是由平均风和脉动风组成，脉动风周期较短，其作用性质完全为动力。因此，结构上的风荷载可以分为静风荷载和脉动风荷载进行分析。脉动风荷载可以由脉动风速谱计算得到。

脉动风速用来描述风速的一个随机特性，风速的大小随着时间在不断的变化。假定风速随时间是一个随机正态分布。A.G.Davenport等[10]根据不同地区，不同高度实测的风速统计数据，建立了一种不随高度变化的风速谱：

(1)

(2)

由于地面摩擦的影响，平均风速在越接近地面的地方越小，A. G. Davenport等根据实测统计数据提出了下式，来描述风速随高度变化的规律。

(3)

当结构上某点的脉动风压达到最大值时,与该点有一定距离的另一点的脉动风压一般不会同时达到最大值。在一定的范围内，离该点越远，脉动风压同时达到最大值的可能性越小，这种性质称为脉动风的空间相关性，空间上任意2点的脉动风都具有相关性，可以利用互谱密度函数来表示任意2点的相关性。

(4)

式中：S(f)ii、S(f)jj分别为i、j两点的功率谱密度函数；φ(i,j,f)为相干函数，对于三维问题有如下形式[10]：

(5)

为了模拟风荷载的时程，需要确定风速的时程，采用线性滤波法[11]来建立风速时程，计算风荷载时程。

1.2动冰荷载模型

直立结构是冰区最早出现的结构形式，冰与直立结构作用的根本问题在于冰的物理力学行为，以及冰与直立结构作用发生破碎过程。通过对试验现象的观察及对试验数据的分析，针对工程应用的冰荷载，冰激振动研究取得了较大进展。有学者分析各自试验中得到的冰荷载数据，提出了直立结构上的冰荷载应该根据冰破碎模式不同分别进行分析的思想[12-14]。通过对不同冰速下的冰与结构作用监测发现，当冰与结构相互作用的速度增加到一定程度时，冰的破碎频率和结构的振动产生耦合。结构在与其基频相同频率的冰力作用下发生类似简谐形式的稳态振动。冰力又反过来被结构振动控制，形成频率与振动频率一致的锯齿形冰力。

当冰与结构发生稳态振动时，结构的振幅较大，持续时间较长。图1是实测的冰致自激振动过程中，冰力和结构振动位移的同步耦合时程曲线，其中锯齿状的是冰力时程，光滑曲线是结构的振动位移，从图中可以看出结构振动与冰荷载发生同步响应。

图1　冰激稳态振动时冰力和结构振动位移的耦合时程曲线

为了能够分析稳态振动时冰对直立结构的冰力时程，T. Kärnä[12]根据渤海实测的自激振动冰力时程，给出了简化的三角波时域函数(见图2)，表征产生自激振动的冰力随时间的变化特征。

图2　简化的稳态冰力时程

Fmax是冰力最大值，可保守取为极值静冰力，

(5)

式中：K为冰力系数，根据渤海地区的实测数据分析得到渤海建议取值0.8；σc为海冰的单轴压缩强度，MPa；D为海冰与结构的接触宽度，m；h为海冰的厚度，m。

ΔF=qFmax，q=0.1～0.5，本文选取0.4；Fmean是冰力平均值，可通过Fmax-ΔF/2计算；T为冰力周期，计算中可近似取为结构固有周期；α是加载阶段系数，通常选取0.6～0.9，本文取0.8。

从渤海地区多年的实测数据分析来看，结构在冰激稳态振动时，结构的响应最剧烈，因此分析结构冰激稳态振动下的响应，可以校核结构在动冰力荷载下的最大响应情况。

2基于数值模拟的风机动荷载分析

以渤海地区拟建风电基础为例，分析结构在风荷载和动冰荷载作用下的响应情况，确定海冰是否对风机结构响应起到控制作用。利用ANSYS有限元软件建立风机模型，风机结构采用shell181单元，风机基础为三桩形式，采用6倍桩径法建立风机泥面以下基础，结构的有限元模型见图3。

图3　风机三桩基础模型

模态分析得到结构前4阶频率，见表1。

表1　风机前4阶频率　Hz

分析发现，风电基础结构的基频为0.34 Hz，渤海导管架平台的基频为1～2 Hz，结构的前3阶均是X方向振动、Y方向振动、Z方向扭转。风电基础结构的柔度相比导管架平台更大。

2.1风荷载作用下风电基础结构的振动分析

通过选取风机上不同位置的7个点(见表2)，利用脉动风的数学模型，通过MATLAB建立风机各点的风速时程。

表2　风速模拟点位置

选取50年一遇的风速为平均风速25 m/s，分析结构在极端工况下的振动响应。根据风速谱计算出风机不同点在200 s内的风速值，其中塔筒70 m处和风机叶片上的风速时程曲线如图4、5所示，利用风速可计算到相应的等效风荷载时程。从图4、5可以看出，风速具有随机性。因此，作用在结构上时，风荷载也是一个随机荷载。

图4　风机4号点的风速时程曲线

图5　风机叶片5号点的风速时程曲线

图6　风机轮毂处的加速度响应曲线

图7　风机基础顶部的加速度响应曲线

基于ANSYS瞬态响应分析，得到风机轮毂及基础顶部的加速度和位移响应。由图6、7发现，在前20 s结构的风振响应较大，并且呈现递减的趋势，在20 s以后结构的振动趋于较小随机振动，这是由于风速是一个随机的过程，风振频率与结构的频率不在一个范围内，风引起的结构振动是一个随机振动。风机轮毂处最大的振动加速响应在±750 mm/s2，20 s以后的振动加速响为±200 mm/s2内的随机振动(见图6)，位移响应振幅在120 mm内。风机基础顶部的振动加速度响应为±12.5 mm/s2(见图7)。从结构的风振情况分析来看，结构的振动在一个合理范围内。

2.2动冰荷载下风电基础振动分析

冰激稳态振动是动冰荷载引起的结构响应最强烈的情况。当结构发生冰激稳态振动时，结构的振幅和加速响应都较大。选取50年一遇的冰况，其中海冰压缩强度为2.0 MPa，海冰厚度为0.3 m。通过ANSYS中瞬态分析得到风电基础结构在冰激振动下的响应，见图8、9。

图8　稳态振动下风机轮毂处的加速度响应曲线

图9　稳态振动下风机基础应力响应曲线

分析发现，海冰能引起风机结构强烈的稳态振动。风机轮毂处的加速度响应达到900 mm/s2(见图8)，并且结构的稳态振动持续时间较长，对风机的上部结构安全有巨大影响。主要原因是海冰的破碎频率锁定在结构的固有频率上，引起了结构的振动增强。风机轮毂处的位移响应幅值为400 mm，较风荷载显著增大。冰振下风电基础结构的热点应力曲线见图9，应力幅值达到45 MPa，长时间的冰激振动可能会导致结构的疲劳破坏，需要开展冰振结构疲劳累积损伤及寿命估计。

风电基础在海风与海冰作用下结构振动响应的对比见表3，发现风机轮毂处的振动响应比较大，风振下结构振动的持续时间较短，而冰激结构振动持续时间较长，振动幅值与结构热点应力比较显著。可见，冰激振动是结冰海域风电基础设计校核中的主要控制荷载，寒区风电场的建设需要重点考虑海冰荷载对风机结构的影响。

表3　风机在风荷载与冰荷载下振动响应对比

3结论

1) 分析冰区海上风电结构的振动问题，认为风机的振动失效模式可以通过分析冰激稳态振动进行校核。

2) 冰区海上风电结构设计时可根据冰激稳态振动分析方法，通过确定风机上部设备的失效加速度，校核冰振下风机结构的振动加速度是否合理，以确保结构更加安全。

3) 通过提取稳态振动下结构的热点应力，为结构的冰振疲劳失效分析提供初步的判断。

冰激振动能够引起风机结构剧烈的稳态振动，通过对比风机结构在风振下响应与冰激稳态振动下的响应，发现极端工况下冰激振动明显大于风振响应。基于本文的研究发现，冰区海上风电基础结构的抗冰设计可以考虑如下几点。

1) 冰区风电基础结构设计应以海冰为主要控制荷载，采取合理的冰力模型。

2) 风电基础结构柔度较大，冰激上部电机振动显著，应满足电机及附属设备的正常运行要求。

3) 冰激风电基础结构疲劳应力显著，还需开展详细的疲劳损伤及寿命估计。

4) 平台桩腿处安装抗冰锥体是提高结构抗冰性能的有效措施。

5) 为了降低平台的冰振，保护上部设施的安全，可以采取冰振控制措施。

海上风力发电属于国家新型能源行业，经济性是首要问题。因此，对于冰区海上风电开发，应该合理考虑结构的工程优化，包括选型优化、结构尺寸优化及控制优化设计。

参考文献

[1] 宋础,刘汉中.海上风力发电场开发现状及发展趋势[J],太阳能,2006(2):26-28.

[2] 唐垒.浅谈我国风电产业发展现状及前景[J],科技创业月刊,2014(9):44-45.

[3] PEYTON H R. Sea ice strength [R].Alaska： University of Alaska. Geophysical Institute， 1966.

[4] 岳前进,张大勇,刘圆,等.渤海抗冰导管架平台失效模式分析[J].海洋工程,2008(26):18-23.

[5] 张大勇.基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究[D]．大连：大连理工大学．2007.

[6] 刘圆.抗冰海洋平台动力分析与结构选型研究[D]．大连：大连理工大学，2006.

[7] 李辉辉.海洋平台冰振失效的预警标准[D].大连:大连理工大学.2004.

[8] 岳前进,李辉辉,于学兵.渤海石油平台的冰振及其对作业人员的影响[J].中国海洋平台,2005,20(3):35-39.

[9] 屈衍,基于现场实验的海洋结构随机冰荷载分析[D].大连：大连理工大学,2006.

[10] 王肇民.桅杆结构[M].北京：科学出版社,2001.

[11] 王之宏.风荷载的模拟研究[J].建筑结构学报,1994(1):44-52.

[13] SODHI D, HAEHNEL B. Crushing ice forces on structures[J]. J Cold Regions Engineering, 2003(7):153-170.

[14] 岳前进,杜小振,毕祥军,等.冰与柔性结构作用挤压破坏形成的动荷载[J].工程力学,2004(1):202-208.

Vibration Analysis of Offshore Wind Turbine Foundation in Ice Zone

WANG Guo-jun1, ZHANG Da-yong2, LOU Chun-juan2, YUE Qian-jin2, LUO Cheng-xi3

(1 College of Ocean and Civil Engineering, Dalian Ocean University, Dalian Liaoning 116023, China;2 School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin Liaoning 124221, China;3 HydroChina Zhongnan Engineering Corporation, Changsha 410014, China)

Abstract:For offshore wind turbine foundation in ice region, there are less researches, and there is also no ice resistant design specification. The impact of sea ice on the wind turbine foundation is unknown Based on the research results of ice observation and the interaction between ice and structure, it is clear that the ice load model is suitable for offshore wind power. Using the finite element method with ANSYS, the ice induced vibration response of the structure is analyzed and compared with the wind vibration response. The results show that the ice load and wind load is the control load for ice region offshore wind turbine foundation design and check, and it also show that ice induced vibration is significant. So the influence of ice load should be considered in the design of wind turbine foundation in ice region.

Key words:ice region; wind turbine foundation; ice load; ice induced vibration

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.025

收稿日期：2015-12-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51309046)；国家海洋公益性行业专项项目(201505019)；中国电力建设集团有限公司科技专项项目(SD2013-11)；基本科研业务费专项(DUT15RC(3)047)；国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室开放基金(LOMFB06)

第一作者简介：王国军(1989—)，男，硕士生 E-mail:594683891@qq.com

中图分类号：U661.44

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0109-05

修回日期：2016-01-23

研究方向:海上风电结构设计分析