随机波浪荷载作用下海上风电机组基础关键结构疲劳强度分析

2016-12-12陆道辉杨勇黄冬明

风能 2016年8期

文 | 陆道辉，杨勇，黄冬明

文 | 陆道辉，杨勇，黄冬明

近年来我国大力发展海上风电，机组基础结构是海上机组的重要组成部分。由于我国近海风电工程场址区地质条件复杂，上部土层承载力低，变形大，并易受冲刷影响，故近海机组基础一般采用桩承式基础。导管架基础是海洋平台中最常见的桩承式基础结构形式，在深海石油平台的建设中已经成熟应用。导管架基础由导管架和桩两部分组成，其整体性好，承载能力较强，对打桩设备要求较低，目前已被推广应用于海上风电机组基础。

海上风电机组导管架基础结构为大型复杂焊接结构，在其20年的使用期内，长期受到随机波浪荷载的作用，容易产生疲劳破坏，因此采用有限元法和谱分析法来评估导管架基础关键结构在随机波浪荷载作用下的疲劳寿命具有重要意义。

本文针对某3MW海上风电机组导管架基础结构，建立了精细的导管架基础结构模型，选取承载力较为复杂的过渡段关键结构为研究对象，进行了随机波浪荷载作用下过渡段结构的疲劳强度评估，为海上机组导管架基础结构的疲劳强度分析提供了一种有效途径。其中，计算模型充分考虑了主机和塔架等重要机组部件对结构疲劳分析的影响，同时也考虑了结构-桩-土的相互作用。

海上风电机组基础结构疲劳分析方法

本文借鉴海洋工程的经验方法，针对海上风电机组导管架基础结构，首先采用适用于小尺度构件的Morison公式用于波浪载荷的计算，然后采用谱疲劳分析法进行随机波浪荷载作用下的疲劳分析。基本思路是先确定波浪载荷作用下的结构应力传递函数；然后结合波浪谱计算得到结构应力响应谱；根据响应谱的统计特性得到应力响应短期分布，从而计算结构在某一短期海况下的疲劳损伤。最后结合波浪散布图以及各浪向的分布概率，根据Miner线性准则计算结构在设计年限内总的疲劳损伤。采用谱分析方法计算结构疲劳强度的具体过程如下：

一、应力响应传递函数和应力谱密度函数

应力响应传递函数是在线性动力系统做圆频率为ω的简谐振动时，响应振幅与输入振幅之比。当输入过程为波浪，响应过程为交变应力时，传递函数就是结构在圆频率为ω的规则简谐波作用下，应力幅值与波幅之比。

由波浪谱密度函数和应力传递函数即可获得结构的应力谱密度函数：

式中：Sσ（ω）-应力谱密度函数；Hσ（ω）-应力响应传递函数；Sη（ω）-波浪功率谱密度函数。

二、某一短期海况的疲劳损伤

假定短期海况中应力循环过程为窄带高斯分布，该应力交变过程的应力峰值服从Rayleigh分布，则其概率密度函数为：

式中：σ-短期Rayleigh分布的方差；S-应力范围。

在随机波浪载荷作用下，结构内的交变应力也是随机过程，则结构在某一浪向、某一短期海况作用下的疲劳累积损伤可用下式表示：

式中：NL-设计寿命内应力范围的总循环次数；A、m-指定S-N曲线的参数。

三、总疲劳损伤计算

在考虑各个浪向的概率以及各浪向下的短期海况，可得总的疲劳累积损伤：

式中：Ps,j－某一海况i的发生概率；Pd,j－某一浪向j的分布概率。

导管架基础关键结构疲劳强度分析

本文以某3MW海上风电机组导管架基础结构为例，分析随机波浪荷载作用下导管架基础关键结构在其20年使用期内的疲劳损伤。

一、随机波浪荷载

考虑结构的对称性以及浪向的随机性，波浪方向取0°－180°，步长取45°，各波浪方向的概率均匀分布；波浪谱采用P-M谱；结构所处海域水深为11m。选定渤海海域一年的波浪散布图，对波浪散布图中的海况进行合并，每一种海况用有义波高（Hs）和周期（Tz）来表示，如表1。

二、海上风电机组整机模型

整机建模时，根据设计图纸对导管架基础和塔架进行全尺寸的建模；对结构相对较为复杂的主机及叶片，采用集中质量点矩阵的形式模拟其整体质量分布，简化建模；过渡段结构是受力较为复杂的部分，采用壳单元进行详细模拟，塔架及主体支撑结构等均采用梁单元模拟；为了模拟结构-桩-土的耦合作用，并考虑基础桩的柔性特点，将桩与土的作用简化为桩顶处的刚度矩阵，该刚度矩阵通过在桩顶处创建弹簧支撑单元进行模拟。

导管架基础结构包括三部分：过渡段结构、主体支撑结构和弹性支撑。整机模型如图1所示。

三、热点疲劳分析

根据挪威船级社DNV-OS-J101近海风电机组结构设计规范（以下简称“DNV规范”）的建议方法，在大型焊接结构的疲劳强度分析中，一般采用热点应力法来分析关键部位的疲劳强度。为了准确获取结构关键区域的热点应力，分别创建海上机组整机结构有限元模型以及疲劳分析关键区域的局部有限元模型。通过对海上机组整机结构有限元模型的应力分析，获取局部有限元模型应力分析的边界条件。进一步对局部模型进行应力分析，获得疲劳分析关键区域的热点应力，从而准确地对结构进行疲劳强度分析。根据DNV规范建议方法，通常采用t/2和3t/2（t为板厚）的插值方法来计算大型复杂焊接板结构的热点应力。

表1 波浪散布图

通过建立3MW海上机组导管架基础结构的整体有限元模型（如图1），并对其进行整体强度分析，取过渡段结构（如图2（a））中最易产生疲劳破坏的斜撑杆为局部有限元模型，

并确定斜撑杆两端焊接区域为疲劳分析关键区域。根据结构的对称性，只对其中一个撑杆作为研究对象，如图2（b）所示。分别计算斜撑杆焊接相贯线上的10个疲劳分析关键点的疲劳累积损伤值，取最大值为过渡段结构的疲劳累积损伤值，如图3所示。

四、结构疲劳寿命计算

海上风电机组支撑结构的设计疲劳寿命一般为20年－25年。根据海上机组导管架基础结构所处的海洋环境、工作状况等条件，选取DNV规范中给出的管节点在空气中、结构中有阴极腐蚀保护的S-N曲线。过渡段结构所处环境为大气区域，DNV规范指出大气区域的结构疲劳设计安全系数取1.0，故以此来评估过渡段结构的疲劳寿命。结构总的疲劳累积损伤值采用Miner准则来计算。S-N曲线的基本参数如表2所示，计算结果如表3所示。

从表3中可以看出，随机波浪荷载作用下海上机组导管架基础过渡段结构累积损伤最大值为0.0047，对应的疲劳寿命为213年，大于设计安全寿命25年，故在随机波浪荷载作用下的结构疲劳强度满足设计要求。