海上风电机组与支撑结构一体化疲劳分析

杨 欣

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

海上风电机组基础所处环境复杂，结构除受到自身重力之外，还受到风、波浪、海流、运行荷载及地震波、浮冰荷载等各种动力荷载，使结构在服役期间不停息地发生振动[1]。在这种持续的振动作用下，结构会在未达到极限应力，甚至是未达到弹性极限时发生破坏，即发生疲劳破坏。在实际工程中，疲劳破坏会严重威胁海上风电机组基础的使用安全，因此疲劳破坏问题不容忽视[2,3]。

目前针对海上风电疲劳特性的研究方法通常包括两种，频域分析方法和时域分析方法[4]。时域分析方法是通过监测或模拟得到荷载的时间序列，将得到的荷载施加在结构上，进行瞬态动力学分析，得到应力-时程曲线，通过雨流计数法统计得到应力幅值、循环次数，根据S-N曲线理论与Miner线性累积损伤理论计算得到结构的疲劳损伤值[5]。频域分析方法通常是采用谱分析的方法，需要根据研究海域的联合概率密度函数，得到结构在风浪流作用下的响应函数，再进行结构的疲劳损伤分析[6,7]。

对于传统的海洋石油平台来说，疲劳通常只考虑波浪荷载作用，而忽略风、海流对结构的疲劳破坏。而对于海上风电基础来说，结构承受着风荷载带来的巨大的水平力和倾覆力矩，因此必须考虑结构受到风、波浪的联合作用[8]。而目前大多采用风、波浪单独计算疲劳损伤，再线性叠加的方法进行考虑，此种方法会忽视风浪联合作用的非线性影响因素，因此不能准确地反映结构的疲劳特性。

2 疲劳分析方法

2.1 模型建立

本算例采用Bladed软件自带的某5MW风电机组进行计算。风轮直径为118 m，轮毂高度为80 m，切入风速为3.5 m/s，切出风速为25 m/s。

基础采用某海上风电单桩基础，桩径约为7～8.2 m，壁厚约为65～80 mm，桩尖高程为-62 m，桩顶高程为10 m。单桩基础模型如图1所示。本算例基于p-y曲线法计算得到泥面处水平刚度为1.31×106kN/m，转动刚度为4.75×108kN·m/rad。

图1 单桩基础示意(国家85高程)

2.2 分析方法

本研究采用Bladed软件进行建模，上部风机结构采用软件自带5MW风电机组，下部支撑结构采用某海上风电单桩基础，建立包含叶片、机舱、塔筒、基础的一体化模型。①首先通过Bladed软件模拟得到环境荷载时间序列，其中，风荷载求解基于叶素动量理论，波浪荷载求解基于莫里森方程。运动方程的求解基于能量守恒原理和拉格朗日方程。②采用雨流计数法统计得到应力幅值-循环次数关系，基于S-N曲线理论及Miner线性累积损伤理论计算得到结构的疲劳损伤。计算得到结构20年寿命期内分别在风浪联合作用、风浪线性叠加情况下产生的疲劳损伤，并进行比较分析。图2是采用Bladed软件建立的模型，图3是本研究的技术路线图。

图2 一体化模型

图3 技术路线

2.3 计算工况

根据风电场风速、波高、波周期分布确定计算工况，本算例分别考虑了工况一：轮毂处风速5 m/s、有效波高0.2 m、有效波周期5 s；工况二：轮毂处风速8 m/s、有效波高1.4 m、有效波周期6 s进行计算，风、浪同向。

3 结果与讨论

3.1 风、波浪模拟

首先利用Bladed进行环境荷载的模拟，得到两种工况下轮毂处风速、波高随时间的变化曲线，如图4所示。

3.2 热点应力计算

由于塔筒底部容易存在因变截面、变壁厚等管节对接产生的偏位问题[9,10]，更容易产生疲劳损伤问题，本算例根据DNV-RP-C203[12]所规定的公式进行应力集中系数的计算，主要考虑压缩正应力、弯曲应力的截面叠加应力。

图4 风速、波高变化时程曲线

(1)

根据公式(1)计算得到塔筒底部应力集中系数为1.324，通过截面总正应力乘以计算所得应力集中系数，即可得到热点应力。图5为塔筒底部在风浪联合作用下的热点应力随时间变化曲线。

3.3 雨流计数统计

影响疲劳的主要因素是热点应力对应的应力幅值、循环次数，通过雨流计数法统计得到热点应力的各级应力幅值和对应的循环次数，结果如图6所示。

图5 风浪联合作用下热点应力变化时程曲线

图6 雨流计数统计结果

3.4 疲劳损伤计算

S-N曲线是以对数横坐标为寿命周次，对数纵坐标为最大应力幅值的曲线，能够表示标准试件的疲劳强度与疲劳寿命的关系[11]。参考DNV-RP-C203[12]规范，选择合适的S-N曲线。

根据线性累积损伤理论，结构经受n次循环的损伤值D=n/N，当n=N，则D=1，结构发生疲劳破坏[13,14]，结合统计得到的应力幅值、循环次数，所选择的S-N曲线，通过线性损伤累积理论可以计算得到结构的疲劳损伤值，根据t时间内的损伤值可推算出结构在20年寿命期内的疲劳损伤[15]。

表6 疲劳损伤值

根据表6可以发现，两种工况下计算得到的结构在20年寿命期内的疲劳损伤值都小于1，未发生疲劳破坏。此外，由风浪联合作用计算得到的损伤值大于风浪线性叠加计算值，两种不同工况的偏差分别为38.56%、31.97%，通过考虑结构在单独风、单独浪作用下的损伤再简单地进行线性叠加，会忽略风浪联合作用于结构时的非线性因素影响，因此，在实际的工程中，不能简单地通过线性叠加来进行计算，会导致结果计算不准确，结构设计不安全。

4 结论

本文将通过Bladed对风电机组、塔筒、基础进行建模，以某5MW海上风电单桩基础为研究对象，采用时域分析方法进行计算，基于雨流计数法、S-N曲线理论与Miner线性累积损伤理论分别计算得到了结构塔筒底部受到单独风作用、单独浪作用、风浪叠加作用产生的疲劳损伤，并将风浪线性叠加、风浪联合作用产生的损伤值进行对比，结果表明：分别计算风、波浪单独作用，并加以叠加得到的结构损伤值小于风浪联合作用结构产生的损伤值，其偏差高达35.56%，在实际工程中，这样的方法会使设计偏于不安全，验证了疲劳计算时考虑风浪联合作用的必要性。