海上風電機組基礎防碰撞分析及防護措施探討

文 | 吳永祥 李文通 寧紅超

海上風電機組基礎防碰撞分析及防護措施探討

文 | 吳永祥 李文通 寧紅超

隨著風力發電技術的快速發展，陸上可開發利用的風電場越來越少，而海上風電開發越來越受到重視。海上風電機組基礎作為海上風電開發的基礎性設施，長期在海上惡劣的環境下工作，不可避免會遇到各種碰撞問題。例如，供應船與基礎的碰撞、上部結構墜物到基礎平臺和浮冰對基礎的撞擊等。這些意外事故經常使基礎發生整體彎曲或局部屈曲，結構承載能力降低，直接影響到基礎的安全性和耐久性，甚至可能引起風電機組倒塌等災難性后果。

根據Tebbett《最近五年鋼制平臺的修理經驗》中對世界上100起需要修理的海洋結構物損傷原因進行分析得到結果，約25%的海洋結構物損傷是由于碰撞引起的。根據英國HSE機構對海洋平臺的損傷調查，在海洋平臺發生損傷的原因調查中船舶碰撞占11.2%，是主要原因之一。根據DNV海洋工業報告，在挪威北海海域從2001年到2011年十年間共發生船舶與海洋平臺碰撞事故26起，其中6起造成嚴重后果。

海上風電機組基礎與海洋平臺有著類似的結構形式，但是由于海上風電機組處于剛剛起步階段，技術尚未成熟，對應的海上風電機組基礎碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標準規范可供參考。本文對海上基礎與船舶碰撞的研究借鑒了海洋平臺碰撞方面的標準和經驗。基于ANSYS/LS－DYNA軟件，通過結構模型化及數值仿真計算，獲得并分析了船橋碰撞力、能量轉換、以及風電機組基礎結構的沖擊響應的一般規律和特點，從而為海上風電機組基礎設計、維護、防撞措施等提供理論上的支持。

船舶與海洋平臺基礎碰撞理論發展

早在20世紀60年代，Minorsky在20多個船舶與平臺碰撞事故或者實驗的統計數據分析中，得到了撞擊船的動能損失量與被撞平臺結構損傷之間的線性關系，并以經驗公式的形式給出。Martin J.Petersen的研究工作也同樣具有代表性，對二維情況下的碰撞運動過程進行了分析。20世紀70年代，McDermott等人根據塑性靜力學的基本理論和方法對游輪與平臺結構的低能碰撞問題作了研究。隨著有限元技術的發展，Reckling、Minorsky和Yang等人相繼采用有限元技術對船舶平臺碰撞問題進行了研究分析。20世紀90年代，Kawamoto及Che和Jang利用顯示非線性分析程序MSC/DYTRAN對超大型油輪在碰撞中的結構響應進行了數值模擬分析，采用顯示有限元法（LSDYNA3D）分析撞擊船的船艏和被撞平臺的結構損傷變形，且計算中假設為剛體碰撞。

總之，隨著對碰撞問題的深入研究和有限元技術的不斷發展，國內外在船舶與海洋平臺碰撞問題上的數值模擬手段越來越多，結果也越來越可靠。通過對以往案例數據的統計分析和理論推導，分析結果在海洋平臺設計與維護方面也起到了越來越重要的作用。

船舶與海洋平臺結構碰撞模擬方法

一、常用分析方法

由于碰撞區的變形損傷程度與船舶安全性以及事故后果有直接關系，因此需要充分重視內部碰撞力學的研究。目前研究內部碰撞力學的方法主要有：統計分析法、試驗法、簡化分析法和有限元法。

（一）統計分析法

統計分析法是將船舶的碰撞問題分為相對獨立的結構損傷和動能損失，研究他們之間的關系，采用完全非線性理論求解碰撞過程中的動能損失，用附連水質量來代替碰撞中水的影響。最后用統計分析方法將損傷體積和動能損失聯系起來，建立線性關系。這種依據大量相似船型的船舶碰撞數據總結出的經驗公式應用很方便，但從成本上考慮顯然是不太現實。另外，這種方法進行了很多簡化，精度也不是很高，因此現在應用很少。

（二）試驗法

對于比較復雜的無法用理論模型來表達的問題，往往可以通過試驗獲得比較可靠的結論。在船舶與海洋平臺碰撞問題上，荷蘭、丹麥、德國、日本等國的學者都進行了很多模擬碰撞試驗，并總結出了很多具有參考價值的結論。

但眾所周知，試驗需要耗費大量的時間和財力，且海洋結構物碰撞問題本身的強非線性特征和碰撞條件的多樣性對試驗結果在實踐中的應用產生很大的局限性，加之海洋結構物的建造非常昂貴，進行此類試驗往往因耗資巨大而難以實施，因此這種方法實施起來難度很大。

（三）解析法

簡化分析方法一般研究的是破壞過程的特點，借助理論公式加以分析計算，從而為設計者提供整體及局部結構設計計算工具。這種方法主要基于塑性力學中的上限理論和一些重要假設來分析碰撞問題。這些假設主要來自對碰撞事故和試驗研究的觀察分析。但往往由于它將碰撞中的船舶做了大量簡化處理，所以精度相對較低。

（四）有限元數值仿真法

數值仿真法是對船舶真實碰撞場景的虛擬再現，借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過程中的各種物理量都可以作為結果輸出，可以真實的模擬碰撞現象，部分代替實船或者模型的碰撞試驗，實現“虛擬碰撞”。因此有限元方法是結構碰撞響應分析的強有力工具，也是研究船舶碰撞問題最為有效的方法。

但是目前在工程應用中，由于仿真模型的建立需要一定的知識、經驗和處理技巧，模型的計算精度并非總是令人滿意，船舶碰撞非線性有限元法用于實際船舶結構的碰撞分析還沒有完全成熟，數值仿真法的結果仍然需要試驗或者其他研究者的計算結果來檢驗。

二、 船舶與海洋平臺碰撞問題的有限元數值仿真

船舶碰撞的數值仿真大都采用非線性有限元方法，不僅能夠考慮結構大變形、接觸、材料非線性和結構失效等情況，計算碰撞區的結構損傷變形與碰撞力，而且結合了外部機理的分析與計算。

目前常用的三維非線性動態響應分析程序MSC/ Dytran和LS－DYNA等都可以用來模擬碰撞響應，利用顯示或隱式方法求解流體－結構的動力學控制方程，能較好的解決碰撞中的大變形、損傷、接觸、流體動力等問題。

三、本文分析方法

本文采用兩步分析方法對船舶與風電機組海上基礎的碰撞進行數值模擬。

根據分析經驗，擬采用LS－DYNA和ANSYS軟件進行分析。借助ANSYS Workbench軟件與SolidWorks良好的接口和強大的模型前處理功能，對要分析的船體和風電機組基礎進行網格劃分與處理，將生成的有限元模型導入LS－DYNA進行剛體碰撞分析并提取所需結果。最后將碰撞分析結果作為輸入條件對風電機組基礎局部詳細模型進行分析，得到基礎結構的損傷。

船舶和風電機組基礎碰撞有限元分析

一、 海上風電機組基礎結構模型

根據某風電機組海上基礎結構設計方案，建立六樁導管架基礎模型。每個基礎有6根鋼管樁，結構底面直徑為24m；鋼管樁采用Q345C型鋼材，導管架鋼材為Q345D型，如圖1所示。

假設撞擊船為5000噸級，簡化后型長20m，型寬16m，型深15m，吃水線5m。計算模型碰撞區域采用殼單元建模，對艏尖艙之后的船體，因其遠離碰撞區域，實際并不產生變形，僅提供剛度和質量影響，故將其省略。

二、有限元模型

根據簡化的幾何模型建立有限元模型，為減少計算時間和保證結果精度，本項目中基礎和船體都采用殼單元SHELL163單元建模；并對所關心的碰撞區域網格細化，得到整體結構有限元模型如圖2 和圖3所示。

三、 接觸算法

碰撞構件之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發生接觸作用的結構之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結構之間的相互作用，并允許結構之間連續不斷的接觸和滑動。

本文使用的是主從面接觸算法，在求解的每一時間步長，檢查從屬節點的位置坐標，看它是否已經穿透主面，如果還沒有穿透，則計算工作不受影響地繼續進行；如果已經穿透，則在垂直于主面的方向上施加一個作用力，以阻止從屬節點的進一步穿透，這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側的單元屬性。

四、分析工況

本項目模擬了多種船艏與基礎碰撞的工況，并根據計算結果總結規律，得到分析船與風電機組基礎碰撞的一般規律。

（一）約束條件

對風電機組基礎鋼管樁底部位置進行全約束；為保證船艏運動方向，約束船艏沿豎直方向的自由度。模型約束條件如圖4所示。

（二）分析工況

本項目中根據船舶的初始速度大小和方向，分別計算了多種工況的碰撞分析。具體工況如表1所示。無碰撞防護措施圖和有碰撞防護措施圖如圖5、6所示。

五、碰撞分析結果

本文主要給出了船艏正面以速度V＝4m/s的速度與風電機組基礎垂直碰撞的情況，船體與基礎之間無防護裝置和有防護措施兩種情況下的相關曲線及應力云圖，具體計算結果如圖7－圖22所示。

（一）無防護措施，見圖7－圖14。

（二）有防護措施，見圖15－圖22。

所有分析工況下，分析結果列表如表2所示。

從以上分析可以看出，結構吸能、等效應力、塑性變形參量隨著船初始動能的增加而增加，但是會由于防撞設施的設置而有效降低，這三個參數是衡量風電機組基礎抵抗撞擊性能的重要指標。因此，在風電機組基礎設計中可以通過設置防撞結構，有效降低由于船舶等結構碰撞對基礎結構造成的影響。

圖2 整體結構有限元模型

圖3 局部網格加密

圖4 模型約束條件

表1 船舶初始工況表

圖5 無碰撞防護措施

圖6 有碰撞防護措施

圖7 碰撞力曲線

圖8 速度、位移曲線

圖9 能量曲線

圖10 碰撞加速度曲線

圖11 碰撞過程最大應力云圖

圖12 碰撞后殘余應力云圖

圖13 局部應力云圖

圖14 局部塑形應變云圖

圖15 碰撞力曲線

圖16 速度、位移曲線

圖17 能量曲線

圖18 碰撞加速度曲線

圖19 碰撞過程最大應力云圖

圖20 碰撞后殘余應力云圖

圖21 局部應力云圖

圖22 局部塑性應變云圖

表2 船正面碰撞風電機組基礎

六、 防護措施

根據研究發現，發生船舶與平臺碰撞的過程中，運維船只是造成碰撞的主要因素，所以對于海上風電機組基礎來說，必須充分考慮運維船只對基礎結構帶來的破壞性影響；通過以上的分析也可以看到，采取了一定的防護措施后，基礎支撐結構受到的作用力會大大減小，可以減少船舶對支撐結構的損壞。目前可用的方法有：在靠船的過程中，船舶逆流靠近基礎平臺； 增加橡膠、輪胎等緩沖裝置，減少運維船只撞擊力；在基礎支撐結構上設置、靠船件，減少船舶對基礎結構的直接沖擊力等。

結論

從上面的分析結果可以得到船與風電機組基礎碰撞后的響應，包括風電機組基礎設計所關心的應力、應變、加速度、能量等參數的變化。通過對這些結果參數的分析比較，可以得到初步結論如下：

船－風電機組基礎碰撞的力學過程和結構損傷可以用ANSYS/LS_DYNA軟件詳細模擬，數值計算結果可以作為風電機組海上基礎結構設計、評估的有效依據。

結構吸能、等效應力、塑性變形參量隨著船初始動能的增加而增加，但是會由于防撞設施的設置而有效降低，這三個參數是衡量風電機組基礎抵抗撞擊性能的重要指標。因此，在風電機組基礎設計中可以通過設置防撞結構，有效降低由于船舶等結構碰撞對基礎結構造成的影響。

從碰撞分析中還可以提出其他計算結果（如碰撞力、碰撞后速度、加速度等參數曲線），作為局部結構詳細分析的輸入條件，可以對基礎或者船只結構強度進行評估。

（作者單位：國電聯合動力技術有限公司）