波浪作用下单桩式风机基础防护设施极限强度研究

高 刚,钱正宏,胡苏杭

(江苏海上龙源风力发电有限公司,江苏 南通 226001)

0 引言

风能是当前能源转型的重要方向。相较陆上资源,海上风能开发成本更具有优势[1]。目前,近海风电场大部分采用单桩式基础海上风机,其数量占比达80%以上[2]。由于海上风场往往与海上航线毗邻、穿插,极端海况时船舶失控会撞击风机桩,因此海上风机会在水线附近设计配套的防护设施,以减小损坏。

虽然海上风机防护主要目的是降低船舶撞击损坏,但船舶撞击概率低,而波浪载荷对防护设施持续发生作用。因此,防护设施需要够抵抗撞击力作用,同时能承受极端环境载荷,其极限强度分析需探究多作用下的最不利工况。YETER等[3]分析了单桩基础结构非线性有限元分析和实验所得结果,验证了数值计算方法的准确性。杜鹏飞等[4]采用API和DNV规范的工作应力设计法,计算单桩基础风机塔架极限环境载荷下塔架的最小尺寸,并在ANSYS软件中进行塔架的振动和挠度分析。王国粹等[5]总结水平受荷桩的计算方法,建立桩土分析模型,计算风机单桩在最不利的风浪流和风机载荷下的极限强度。

目前,针对风机防护设施的研究多集中于船舶碰撞性能,鲜有波浪载荷下的安全性能校核。为此,本文针对单桩基础海上风机的防护设施在波浪载荷下的极限强度进行研究。

1 海上风机防护设施结构设计

1.1 设计原则及主尺度选择

某海域海上风场平均水深30 m,靠近数条海上航线和渔场,夏季和秋季偶尔有台风天气。因来往船只频繁,风机钢管桩直径相比其他3 MW级风机更大。风机钢管桩与防护设施之间安装弹性缓冲垫,绕钢管桩45°角间隔环向布置。

考虑船只碰撞风险及周围环境因素,防护设施设计应遵循以下原则:

(1)钢制防护设施依靠结构和内部填充物的变形吸收能量。钢管桩直径为6 000～6 400 mm,防护设施内径被限制为6.4 m,同时为达到足够的吸能效果,防护设施外径至少为12 m。

(2)防护设施的直径过大会影响通航,增加船舶撞击几率,且过大的尺寸需要的材料也更多,经济性差,因此外径选为12 m。

(3)防护设施的另一个目的是尽快弹开船舶前进方向。圆形容易使船舶转向,降低撞击损坏,因此整体形状做成圆筒形。

(4)单桩基础海上风机位于近海非港口区域,途径的船舶多为中小型,吃水较浅。考虑到各类船首撞击时的接触点不同,球鼻艏撞击位置靠下,而倾斜首撞击位置靠上,综上所述将防护设施吃水设计为4 m,干舷高度为2 m。

1.2 结构设计

防护设施为圆筒形。水平板材自上而下分别为上甲板、第二甲板和底板。水平板材均为水密结构,将防护设施分为上下两部分。设施周向由4道水密横舱壁隔开,每道舱壁间隔90°,加上第二甲板共将设施分为8个水密舱,见图1。防护设施的上部舱室主要为保证储备浮力,下层作为固定压载舱,由此保障某舱室破损进水的情况下依旧有足够的浮力支持防护设施漂浮在海面上。

图1 防护设施示意图

2 波浪载荷下防护设施极限强度分析

防护设施处于近海,可能会遇到波长与防护设施直径相等或2倍于直径的波浪,造成中拱和中垂现象,产生的弯矩使结构薄弱处应力较大。因此,需要对防护设施的极限强度进行校核。

2.1 波浪载荷

海上风机防护设施所处海域的波浪载荷可以通过波浪散布图描述有效波高和平均跨零周期,以及波浪谱描述波浪的形状和能量分布。

2.1.1 波浪散布图

某海域风电场位于西北太平洋波浪统计资料规定的E1海域内[6]。根据全年统计资料,E1海域波浪的有效波高(Hs)、平均跨零周期(Tz)见表1,波浪方向及发生概率见图2。

表1 E1海域波浪散布图

图2 E1海域波浪方向及出现概率分布图

结构极限强度分析考虑最大波高,目标海域的波浪有义波高和最大波高的关系式如下[7]:

Y1=0.08+1.46x

(1)

式中:Y1为最大波高,m;x为有义波高,m。

波浪散布图一般统计发生概率大于1%的波高,极限强度计算则需要考虑发生概率低于1%的波浪。

海上风机防护设施所处海域最大波高7.5～9.0 m,常见波浪的平均跨零周期在3.5～10.0 s。根据E1海域的波浪散布图,计算波浪平均周期,估算25 a使用寿命下的应力循环次数为1.323×109。

2.1.2 波浪谱选取

波浪谱S(ω)的表达式如下[8]:

(2)

式中:A为能量尺度参量;γ为谱峰升高因子;ω为波浪圆频率;σ为峰形参数;ωm为谱峰频率,ω≤ωm时,σ=0.07,ω>ωm时,σ=0.09。

对于长江口水域来说,A=0.155,γ=4[8]。

2.2 有限元模型

本文使用GeniE模块进行防护设施建模、设置边界条件及导出FEM有限元模型。Wadam模块计算需要输入面板模型、结构模型和质量模型3种模型,这3种模型都要在GeniE中完成相应设置并导出成FEM格式。

2.2.1 面板模型

面板模型是GeniE中定义为湿表面属性的外表面模型,用于计算波浪力。面板模型不需要考虑重力浮力配平,也不需要添加边界条件,但要保证外壳封闭。首先,在GeniE中绘制外板建模所需曲线,将建立的外板命名为“Hull”,并将“Hull”集下的板材定义湿表面属性;其次,极限强度计算处理的是结构模型,面板模型的网格密度可以设置得较大,将面板模型的网格密度设置为0.2 m;最后,创建分析活动,生成1级超单元网格并导出。

2.2.2 结构模型

结构模型包含内部详细的板架结构,以及负载、约束等。质量模型和结构模型可以相同。

建立模型:在GeniE的建模理念中,梁结构被赋予了截面属性的线段,无法真实表达梁与肘板的连接,本文的所有骨材均使用板模型。通过点线面的顺序进行模型建立,将模型的外壳、内部板材和骨架结构分别分类到“Hull”“Inner”“Frame”中。

模型约束:防护设施与风机钢管桩之间存在缓冲垫,形成弹性约束。在受到波浪力时防护设施只压缩波浪方向上的3个缓冲垫,因此在模型的内舷侧板上从X轴正方向开始,间隔45°依次布置8个弹簧约束,并规定在水平方向,每个浪向的波浪只对当前方向的半圆面内的弹簧产生作用。将模型按8个浪向波浪作用时的不同约束位置,导出0°时波浪作用在横舱壁和45°波浪时作用在普通肋骨处2种情况的网格文件。因结构对称、垂直方向上,8个位置弹簧约束的刚度相等。此外,模型不限制旋转,所有的角约束都为自由。弹簧约束的样式见图3。

图3 浪向角0°时弹簧约束示意图

2.2.3 质量模型

海上风机基础防护设施自重123.03 t,固定压载208.77 t。Sesam软件无法在水动力模型中使用面载荷,而使用点质量模拟压载,会在点质量的施加处造成严重的应力集中问题。因此,建模时船底板保持厚度不变,密度增大,以此模拟压载,使自重达到排水量。模型重心为-2.97 m,设计吃水下浮心位置为-2 m。

质量模型将模型结构的总质量、质心、回转半径和惯性积等数据输入到Wadam模块中。在Sestra模块进行结构极限强度分析时,结构模型和质量模型使用同一个模型。为保证各面之间网格过渡良好,分析时采用中等大小、尺寸相近的网格密度。一般应力极值点出现在内部的构件中,外壳的网格密度设置为0.15 m,相邻内板和骨架结构设置为0.1 m;网格数量8万左右,节点数量约22万。

3 有限元分析结果

对防护设施在0°浪向和45°浪向条件下进行应力响应分析,在Xtract中进行结果处理和显示。因Xtract将结果分为静水压力下的应力和波浪载荷下的应力,显示结果时分别显示仅受波浪载荷、静水压力下和叠加后的结果。

3.1 0°浪向条件下应力响应分析

表2～表3汇总了0°浪向外板和骨架结构在静水压力和各周期最恶劣波浪下应力的极值,表4为静水下的应力和波浪下的应力叠加结果。

表2 外壳板在静水和波浪下的应力极值(0°)

表3 骨架结构在静水和波浪下的应力极值(0°)

表4 防护设施在0°波浪和静水下的应力叠加值

3.2 45°浪向条件下应力响应分析

表5～表6汇总了45°浪向防护设施在静水和各周期恶劣波浪下应力的极值,表7为静水和波浪下的应力叠加结果。

表5 外壳板在静水和波浪下的应力极值(45°)

表6 骨架结构在静水和波浪下的应力极值(45°)

表7 防护设施在45°波浪和静水下的应力叠加值

当防护设施受到波浪载荷作用时,内部骨架结构的应力大于外壳和内部板材,最大应力位于连接船底横骨和舷侧肋骨的肘板处,为154.21 MPa。其中:在静水压力下,内部骨架结构的肘板位置产生的应力大于外壳和内部板材,为37.41 MPa;极端海况下,连接船底横骨和外线侧肋骨的肘板应力值最大,为188.10 MPa。因此,在进行强度校核时要着重校核船底肘板。防护设施的应力极值均在周期为5 s、有义波高5 m的波浪条件下产生,中频波浪对防护设施最具危险性。45°浪向下,防护设施的应力分布模式和0°浪向工况类似,但是整体应力更高,最大应力高4.56%,其他部分高3.83%～29.22%。最恶劣海况下防护设施的应力最大值为196.68 MPa,低于材料屈服极限,强度满足要求。

4 结论

(1)圆筒形结构物为对称结构,各个方向波浪作用下整体应力分布相似。防护设施内部板材和外壳平均应力较小,远低于内部骨架结构,校核极限强度时应关注内部骨架结构。

(2)最不利海况为:有义波高5 m,周期5 s,波浪的波长约为防护设施直径的3倍。该海况下连接船底横骨和舷侧肋骨的肘板位置应力最大值为196.68 MPa,低于结构的屈服强度,满足设计要求。