隨機波浪荷載作用下海上風電機組基礎關鍵結構疲勞強度分析

文 | 陸道輝，楊勇，黃冬明

隨機波浪荷載作用下海上風電機組基礎關鍵結構疲勞強度分析

文 | 陸道輝，楊勇，黃冬明

近年來我國大力發展海上風電，機組基礎結構是海上機組的重要組成部分。由于我國近海風電工程場址區地質條件復雜，上部土層承載力低，變形大，并易受沖刷影響，故近海機組基礎一般采用樁承式基礎。導管架基礎是海洋平臺中最常見的樁承式基礎結構形式，在深海石油平臺的建設中已經成熟應用。導管架基礎由導管架和樁兩部分組成，其整體性好，承載能力較強，對打樁設備要求較低，目前已被推廣應用于海上風電機組基礎。

海上風電機組導管架基礎結構為大型復雜焊接結構，在其20年的使用期內，長期受到隨機波浪荷載的作用，容易產生疲勞破壞，因此采用有限元法和譜分析法來評估導管架基礎關鍵結構在隨機波浪荷載作用下的疲勞壽命具有重要意義。

本文針對某3MW海上風電機組導管架基礎結構，建立了精細的導管架基礎結構模型，選取承載力較為復雜的過渡段關鍵結構為研究對象，進行了隨機波浪荷載作用下過渡段結構的疲勞強度評估，為海上機組導管架基礎結構的疲勞強度分析提供了一種有效途徑。其中，計算模型充分考慮了主機和塔架等重要機組部件對結構疲勞分析的影響，同時也考慮了結構-樁-土的相互作用。

海上風電機組基礎結構疲勞分析方法

本文借鑒海洋工程的經驗方法，針對海上風電機組導管架基礎結構，首先采用適用于小尺度構件的Morison公式用于波浪載荷的計算，然后采用譜疲勞分析法進行隨機波浪荷載作用下的疲勞分析。基本思路是先確定波浪載荷作用下的結構應力傳遞函數；然后結合波浪譜計算得到結構應力響應譜；根據響應譜的統計特性得到應力響應短期分布，從而計算結構在某一短期海況下的疲勞損傷。最后結合波浪散布圖以及各浪向的分布概率，根據Miner線性準則計算結構在設計年限內總的疲勞損傷。采用譜分析方法計算結構疲勞強度的具體過程如下：

一、應力響應傳遞函數和應力譜密度函數

應力響應傳遞函數是在線性動力系統做圓頻率為ω的簡諧振動時，響應振幅與輸入振幅之比。當輸入過程為波浪，響應過程為交變應力時，傳遞函數就是結構在圓頻率為ω的規則簡諧波作用下，應力幅值與波幅之比。

由波浪譜密度函數和應力傳遞函數即可獲得結構的應力譜密度函數：

式中：Sσ（ω）-應力譜密度函數；Hσ（ω）-應力響應傳遞函數；Sη（ω）-波浪功率譜密度函數。

二、某一短期海況的疲勞損傷

假定短期海況中應力循環過程為窄帶高斯分布，該應力交變過程的應力峰值服從Rayleigh分布，則其概率密度函數為：

式中：σ-短期Rayleigh分布的方差；S-應力范圍。

在隨機波浪載荷作用下，結構內的交變應力也是隨機過程，則結構在某一浪向、某一短期海況作用下的疲勞累積損傷可用下式表示：

式中：NL-設計壽命內應力范圍的總循環次數；A、m-指定S-N曲線的參數。

三、總疲勞損傷計算

在考慮各個浪向的概率以及各浪向下的短期海況，可得總的疲勞累積損傷：

式中：Ps,j－某一海況i的發生概率；Pd,j－某一浪向j的分布概率。

導管架基礎關鍵結構疲勞強度分析

本文以某3MW海上風電機組導管架基礎結構為例，分析隨機波浪荷載作用下導管架基礎關鍵結構在其20年使用期內的疲勞損傷。

一、隨機波浪荷載

考慮結構的對稱性以及浪向的隨機性，波浪方向取0°－180°，步長取45°，各波浪方向的概率均勻分布；波浪譜采用P-M譜；結構所處海域水深為11m。選定渤海海域一年的波浪散布圖，對波浪散布圖中的海況進行合并，每一種海況用有義波高（Hs）和周期（Tz）來表示，如表1。

二、海上風電機組整機模型

整機建模時，根據設計圖紙對導管架基礎和塔架進行全尺寸的建模；對結構相對較為復雜的主機及葉片，采用集中質量點矩陣的形式模擬其整體質量分布，簡化建模；過渡段結構是受力較為復雜的部分，采用殼單元進行詳細模擬，塔架及主體支撐結構等均采用梁單元模擬；為了模擬結構-樁-土的耦合作用，并考慮基礎樁的柔性特點，將樁與土的作用簡化為樁頂處的剛度矩陣，該剛度矩陣通過在樁頂處創建彈簧支撐單元進行模擬。

導管架基礎結構包括三部分：過渡段結構、主體支撐結構和彈性支撐。整機模型如圖1所示。

三、熱點疲勞分析

根據挪威船級社DNV-OS-J101近海風電機組結構設計規范（以下簡稱“DNV規范”）的建議方法，在大型焊接結構的疲勞強度分析中，一般采用熱點應力法來分析關鍵部位的疲勞強度。為了準確獲取結構關鍵區域的熱點應力，分別創建海上機組整機結構有限元模型以及疲勞分析關鍵區域的局部有限元模型。通過對海上機組整機結構有限元模型的應力分析，獲取局部有限元模型應力分析的邊界條件。進一步對局部模型進行應力分析，獲得疲勞分析關鍵區域的熱點應力，從而準確地對結構進行疲勞強度分析。根據DNV規范建議方法，通常采用t/2和3t/2（t為板厚）的插值方法來計算大型復雜焊接板結構的熱點應力。

表1 波浪散布圖

通過建立3MW海上機組導管架基礎結構的整體有限元模型（如圖1），并對其進行整體強度分析，取過渡段結構（如圖2（a））中最易產生疲勞破壞的斜撐桿為局部有限元模型，

并確定斜撐桿兩端焊接區域為疲勞分析關鍵區域。根據結構的對稱性，只對其中一個撐桿作為研究對象，如圖2（b）所示。分別計算斜撐桿焊接相貫線上的10個疲勞分析關鍵點的疲勞累積損傷值，取最大值為過渡段結構的疲勞累積損傷值，如圖3所示。

四、結構疲勞壽命計算

海上風電機組支撐結構的設計疲勞壽命一般為20年－25年。根據海上機組導管架基礎結構所處的海洋環境、工作狀況等條件，選取DNV規范中給出的管節點在空氣中、結構中有陰極腐蝕保護的S-N曲線。過渡段結構所處環境為大氣區域，DNV規范指出大氣區域的結構疲勞設計安全系數取1.0，故以此來評估過渡段結構的疲勞壽命。結構總的疲勞累積損傷值采用Miner準則來計算。S-N曲線的基本參數如表2所示，計算結果如表3所示。

從表3中可以看出，隨機波浪荷載作用下海上機組導管架基礎過渡段結構累積損傷最大值為0.0047，對應的疲勞壽命為213年，大于設計安全壽命25年，故在隨機波浪荷載作用下的結構疲勞強度滿足設計要求。

表2 S-N曲線參數表

表3 過渡段結構疲勞計算結果

結論和展望

（一）針對該海上機組導管架基礎受力較為復雜的過渡段結構，熱點應力多集中于斜撐焊接相貫線處。在計算結構的疲勞累積損傷值時，可取相貫線上的10個熱點作為疲勞分析關鍵點，關鍵點的最大疲勞累積損傷值作為過渡段結構總的疲勞累積損傷值。

（二）根據給定海域的波浪散布圖，通過計算分析獲得在隨機波浪荷載作用下過渡段結構最大的疲勞累積損傷壽命為213年，大于設計安全疲勞壽命，過渡段結構疲勞強度滿足設計要求。

（三）本文計算結果顯示，隨機波浪荷載對海上機組導管架基礎過渡段結構的疲勞強度影響較小。除此之外，風電機組荷載作為另一種關鍵荷載對基礎過渡段結構疲勞產生怎樣的影響，以及如何考慮風浪荷載的聯合作用對基礎過渡段結構疲勞的影響，有待進一步的研究。

（作者單位：陸道輝、楊勇、黃冬明，廣東明陽風電產業集團有限公司；黃冬明：華南理工大學機械與汽車工程學院）