大兆瓦级海上风机导管架基础新型过渡段疲劳性能分析*

徐璐 范永春 郑荣坤 庄杰敏 柯世堂 任灏

1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广州 510700

2.南京航空航天大学 210016

引言

基于近海资源开发接近饱和、海上风电平价时代的大背景，深远海和风机大兆瓦已成为海上风电发展的重要趋势，导管架基础成为首选的基础型式之一。导管架基础中的过渡段结构作为连接上部塔筒和下部主体的关键部位，在导管架基础设计中占据重要地位。考虑到浪、流等载荷作用在导管架主体结构上，对导管架基础上部过渡段受力影响较小，故在过渡段结构设计过程中，仅上部传递至过渡段结构的风机载荷对过渡段结构影响较大［1，2］。目前，随着海上风电机组大兆瓦（10MW及以上）的发展趋势，风轮直径和轮毂高度亦随之增加，直接导致传递到过渡段上的风机载荷显著增大。现有大兆瓦海上风机相较于传统5.5MW风机弯矩增大三倍之多，疲劳工况校核难以满足规范［3］要求，疲劳设计难度成倍增加，使得过渡段结构设计异常困难，原有的过渡段结构已无法满足现有超大荷载的要求。

石油平台作为海上最早采用导管架基础的结构之一，其疲劳性能分析具有重要的借鉴意义，文献［4，5］分析了影响导管架结构寿命的因素，提供了丰富的焊接残余应力分布图谱，推荐的应对策略对减小疲劳损伤具有一定参考价值。针对海上风机疲劳分析，文献［6］基于5MW 风机采用全耦合法、应力叠加法和疲劳损伤叠加法对导管架基础进行疲劳特性研究，结果表明风机荷载对导管架基础和塔筒疲劳损伤的贡献大于波浪荷载；文献［7］分别基于壳单元和体单元模型同试验数据对比，对海上风机的支撑结构进行了疲劳性能试验研究，研究表明壳单元模拟结果与试验数据吻合性更好。针对海上风机导管架基础过渡段结构疲劳分析，文献［8，9］采用静力学和疲劳特性方法对平箱梁式过渡段和斜箱梁式过渡段结构进行疲劳与强度对比，结果表明平箱梁式过渡段结构刚度更大，受力性能更好。然而，已有研究主要针对小兆瓦海上风电机组，针对大兆瓦海上风机国内外研究尚未有相关的进展。

鉴于此，以大、小兆瓦级海上风机为研究对象，采用大型通用有限元软件ANSYS 建立基准模型进行分析，提炼出结构频率随结构型式的变化规律。基于不同兆瓦级风机过渡段结构，分别进行强度及屈曲稳定性能分析；同时，结合等效静力荷载方法选用适用于该结构型式的疲劳曲线，计算不同工况下不同兆瓦级风机导管架基础过渡段结构的累积疲劳损伤。在此基础上，对新型大兆瓦级过渡段结构进行疲劳敏感性分析，对不同型式的过渡段结构进行对比计算，最终确定可用于大兆瓦级海上风机导管架基础的新型过渡段结构。

1 过渡段建模与动力特性分析

1.1 有限元建模

本文以四桩导管架基础为例，在此基础上进行新型过渡段结构的设计，采用大型通用软件ANSYS分别建立不同兆瓦级风机过渡段结构模型。小兆瓦风机过渡段主要由腹板、顶板和底板组成，腹板内部增设竖向筋板，结构型式为典型的箱梁结构；而大兆瓦风机过渡段采用了不同形式组成的腹板、顶板和底板，在此基础上增加了肘板和支撑板；此外，新型过渡段主腿采用斜立式与顶板连接。模型均采用空间壳单元（Shell181）模拟，结构材质均为钢结构，整体固端约束于主腿下部，过渡段顶法兰与塔筒连接位置采用耦合连接，并将上部风力机荷载施加至此处。模型主要构件对结构强度和抵抗疲劳损伤影响较大，网格大小是控制计算精度的重要参数，采用80mm ×80mm，整体模型如图1 所示。

图1 海上风机导管架基础过渡段结构有限元模型Fig.1 Finite element model of transition section for different wind turbine

1.2 自振特性分析

采用Block Lanczos方法提取振型，该方法求解速度快，采用稀疏矩阵方程求解器，适合提取大模型的多阶模态，对网格的适应性好，适用于壳体单元或实体与壳体的混合使用。图2 给出了不同兆瓦级风机过渡段结构前10 阶自振频率分布曲线及对应典型振型。由图可知：因该过渡段结构为独立模型，结构频率大于风力机导管架基础频率，随阶数增加频率逐渐增大；大兆瓦风机过渡段频率大于小兆瓦风机过渡段，不同兆瓦级风机过渡段基频均小于10Hz，频率最大相差50%于第5 阶；结构振型在第7 阶复杂，主要表现在腹板位置，小兆瓦风机过渡段结构振型处于整体变形状态。

图2 风机导管架基础过渡段结构频率与振型Fig.2 Frequency and mode diagram of transition section for different wind turbine

2 强度计算

图3 给出了不同兆瓦级风机导管架基础过渡段结构的不同方向应力和von-mises 应力云图，对比可知：1）相同极端工况下风机荷载，小兆瓦过渡段各方向应力及von-mises应力远大于大兆瓦过渡段，最大差值高达76%；2）不同方向的应力对比结果为Z方向＞X方向＞Y方向，主要原因为风机左右摇摆和前后挥舞均对Z方向产生较大的荷载；3）不同兆瓦过渡段结构X方向应力最大位置均发生在底板底与主腿连接位置，Y方向应力最大位置均发生在底板底与加强腹板连接位置，Z方向应力最大位置均发生在主腿与下部导管架主体连接位置，在结构设计加强及后期运维监测中需尤为关注；4）两个过渡段结构von-Mises应力最大位置亦发生在主腿与下部导管架主体连接位置，次小位置如加强腹板亦需关注。

图3 风机导管架基础过渡段结构应力云图Fig.3 Stress nephogram of transition section

3 屈曲分析

过渡段结构的稳定性亦为结构设计的重要控制参数，屈曲分析是作为表征结构稳定性能的最常用的分析方法之一，其中特征值法避免了复杂的非线性迭代计算，简单易用。

根据刚度奇异判定原理，结构的临界荷载λcr及对应的屈曲模态z可以通过下式得到：

图4 给出了不同兆瓦级风机导管架基础过渡段结构的屈曲系数的结果对比，由图可知：1）开孔对过渡段结构屈曲特性影响显著，小兆瓦过渡段腹板未开孔应力结果较小，大兆瓦过渡段反之，而门洞开孔设加强环后应力集中较小，因此在保证结构强度前提下建议避免开孔，如必须开孔建议增设加强环；2）小兆瓦过渡段结构因内部设有竖向筋板，腹板处应力明显小于大兆瓦过渡段，腹板之间增加竖向筋板可显著提高整体结构屈曲稳定性能；3）相同风机荷载下，小兆瓦过渡段结构屈曲特征值略大于大兆瓦过渡段结构，最大相差仅3.7%，因此其临界失稳荷载略大于大兆瓦过渡段，究其原因为小兆瓦过渡段结构内部有等间距的竖向加强板，但大兆瓦过渡段结构仍有较大的安全裕量。

图4 过渡段强度屈曲临界状态云图Fig.4 Buckling coefficient nephogram of transition section

4 疲劳损伤识别

4.1 S-N曲线

结构的疲劳寿命由S-N曲线确定，本文基于DNV 规范［3］方法对新型过渡段结构进行累积疲劳损伤计算，其计算方法为：

式中：N为疲劳寿命，即应力幅Δσ 对应的应力周期数量；Δσ 为应力幅（MPa）；m为S-N曲线负斜率；log为logN轴的截距。

根据相关研究及以往工程经验，认为疲劳裂纹萌生于焊趾部位。基于应力分析结果及焊接方式，选取DNV 规范中的D 曲线进行计算分析，主要参数为：N≤107，m＝3，log＝12.164；N＞107，m＝5，log＝15.606。

4.2 疲劳损伤法则

Palmgren-Miner线性累积损伤法则［10-13］是目前工程设计中广泛采用的疲劳损伤法则。该法则认为：给定的应力水平所消耗的疲劳寿命是该应力水平作用的循环次数与该应力水平作用到破坏所允许的次数比，该比值称为“损伤比”。若几个不同的应力水平施加到同一结构上，各应力对应损伤比之和为消耗掉的疲劳寿命部分；当损伤比之和为1 时，结构的使用寿命即消耗殆尽。

构件在应力水平Si（N）下，经受ni次循环的损伤为Di＝ni／Ni，若在m个应力水平Si下，经受ni次循环，则可定义其总损伤为：

式中：D为累积的疲劳损伤度；n（Si）为应力水平Si下的实际循环次数；N（Si）为应力水平Si下的疲劳破坏循环次数；k为安全系数，视构件的重要程度及其疲劳分析的可靠性而定。

4.3 疲劳性能分析

图5 给出了不同兆瓦级风机导管架基础过渡段结构的累积疲劳损伤计算云图，由图可知：1）不同兆瓦级过渡段结构最大累积疲劳损伤均发生在将军柱与过渡段顶板接触位置，主要原因为风机荷载由塔筒向下传递时在过渡段顶板和将军柱接触位置的应力集中系数较大；2）大兆瓦级新型过渡段结构累积疲劳损伤远小于小兆瓦风机的过渡段，差值约为75%；3）风机荷载由塔筒向下传递至主腿和加强竖板，小兆瓦过渡段结构与大兆瓦过渡段结构承载力均较好，但斜段式的主腿结构使上部风机荷载均匀向下传递，可显著减小应力集中进而减轻疲劳损伤。

图5 过渡段结构累积疲劳损伤Fig.5 Cumulative fatigue damage of transition section

4.4 敏感性分析

对增设不同加强结构的新型过渡段结构进行对比计算，图6 给出了不同方案新型过渡段疲劳累积损伤对比结果，由图可知：未设加强结构的新型过渡段疲劳累积损伤远大于规范要求限值，分别增设加强肘板和撑板后对疲劳累积损伤均有改善；过渡段疲劳累积损伤对撑板的敏感性较小，对加强肘板的敏感性较大，方案二和三累积损伤最大差值为20.65%；同时增设加强肘板和撑板对疲劳累积损伤改善效果显著，方案四相比方案一最大疲劳损伤减小了59.61%，疲劳校核结果已满足规范限值要求，可应用于工程实际。因加强肘板和撑板构件较小，对结构受力影响较大，综合考虑安全性、建造可行性等因素，建议方案四推广应用于工程实际。

图6 大兆瓦级风机导管架基础过渡段加强结构的敏感性分析结果Fig.6 Sensitivity analysis of transition section for different wind turbine

5 结论

本文系统开展了不同兆瓦级风机过渡段结构疲劳性能研究，主要内容涉及强度计算和屈曲分析、疲劳性能分析等内容，研究结论如下：

1.不同兆瓦级风机过渡段基频均小于10Hz，大兆瓦风机过渡段频率均大于小兆瓦风机过渡段；结构振型在第7阶复杂，主要表现在腹板位置。

2.相同极端工况下风机荷载，小兆瓦过渡段各方向应力及von-Mises 应力远大于大兆瓦过渡段；不同方向的应力对比结果为Z方向＞X方向＞Y方向；Z方向应力最大位置均发生在主腿与下部导管架主体连接位置，在结构设计加强及后期运维监测中需尤为关注。

3.相同风机荷载下，小兆瓦过渡段结构屈曲系数略大于大兆瓦过渡段结构，因此其临界失稳荷载略大于大兆瓦过渡段，但大兆瓦过渡段结构仍有较大的安全裕量。

4.相同风机荷载下，大兆瓦级新型过渡段结构累积疲劳损伤远小于小兆瓦风机的过渡段，差值约为75%；同时增设加强肘板和撑板对新型过渡段结构敏感性影响较大，疲劳累积损伤减轻效果显著，与未增设加强肘板和撑板过渡段结构相比，最大疲劳损伤减小59.61%。