Truss Spar結構浮式風機基礎總體強度分析

孫寅博，竇培林

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引 言

隨著人類對石油資源的過度開發，并造成了一些難以挽回的污染，世界各國也紛紛尋找新能源以替代日漸不足的石化資源。風能作為一種最清潔的新能源，得到了學術界的廣泛研究。近十年來，海上風能的發展已經非常成熟，每年裝機容量都超過1 GW。準確的設計荷載對于經濟有效和安全基礎至關重要。在充分考慮整個系統的動態特性的情況下，需要對各個子系統和環境建立適當的模型才能確定準確的載荷。

目前已經有3種平臺概念有確定性的理論驗證和分析，它們在橫搖和縱搖上有足夠的穩性。這3種平臺形式分別是Spar型，TLP（張力腿式）和壓載式。這些平臺通過回復力矩與平臺自身的浮力和系泊系統共同作用達到可以運營的狀態，半潛式平臺的概念混合使用了上述保持浮態的方法。本文概念設計了一種新型桁架式Spar結構的海上浮式風機基礎，對其進行總體強度分析，找到了其應力最易集中的位置，對后續其結構加強奠定了基礎。有限元直接計算法是船舶與海洋工程結構物中常用的結構強度計算方法，已經被業界廣泛使用。它將結構整體受到的外載荷、重力載荷、慣性力，一并施加到結構上進行有限元分析。本文采用Ansys AQWA和靜力學模塊對海上浮式風機基礎進行波浪載荷和流載荷耦合的總體強度分析。

1 浮式風機結構設計

本文的結構形式主要參考了李溢涵[1,4]論文中的機型，但桁架的寬度、垂蕩板的板厚等具體參數均有不同。垂蕩板的板厚為0.8 m，垂蕩板的圓角為50 mm，桁架的間距為相鄰間距16 m。結構參數詳見表1。

上部浮箱桁架結構為1 7×17根板材交叉排列，垂蕩板桁架結構為 1 1×11根板材交叉排列，下部艙室全部為混凝土壓載，采用實體建模。

表1 結構主要設計參數表Tab.1 Main design parameters of structure

圖1 三維結構模型圖Fig.1 Three dimensional structure

2 波浪載荷計算理論與參數選取

本文根據中國船級社CCS發布的《海上移動平臺結構狀態動態評價及應急響應服務指南》中的確定性設計波法進行結構的波浪載荷預報。根據指南，規則波的波陡定義為：

式中：g為重力加速度；H為規則波波高；T為規則波周期。規則波波陡通常不必超過公式計算的數值:

式中，H100為百年一遇規則波最大設計波高。

本文采用AQWA進行波浪水動力分析，波浪載荷傳遞函數（RAO）基于9個浪向和20個遭遇頻率進行波浪搜索。浪向為0°～180°，周期最小為2.739 15 s，最大為62.831 85 s。根據指南的建議，選取的周期范圍不必小于3 s，最大不必超過18 s，則波周期選取為2.739 15 s，5.901 92 s，9.064 7 s，12.227 47 s，15.390 24 s。根據上文公式，選取百年一遇的波高為30.96 m。對應周期的波高，分別是1.67 m，7.77 m，18.32 m，33.33 m，52.802 m。舍棄后2個周期的數據，計算時采用百年一遇的波高。本文只展示最危險工況的波浪載荷剪切力RAO云圖。鑒于模型的對稱性，本文只展示模型垂向、橫向、橫搖彎矩的RAO，如圖2～圖4所示。

圖2 不同位置不同浪向下垂向剪切力RAO云圖Fig.2 RAO of wave drooping shear force at different positions

圖3 不同位置不同浪向下橫向剪切力RAO云圖Fig.3 RAO of transverse shear force at different locations

圖4 不同位置不同浪向下橫搖彎矩RAO云圖Fig.4 RAO of wave rolling downward at different positions

根據RAO計算值，選取2個最危險的工況，分別是工況1浪向為180°，周期為12.227 47 s，位置為-8 m，設計波高為百年一遇波高，此時垂向和橫向的波浪載荷最大。工況2浪向為-90°，周期為12.227 47 s，位置為-7 m，設計波高為百年一遇波高，此時波浪造成的橫搖彎矩最大。

3 流載荷計算方法

本文根據Ansys APDL指定海洋環境，并通過命令流指定不同海水深度的流速，本文指定海水水深為150 m，海水密度為1 025 kg/m3，0 m海水流速為0.5 m/s，水深40 m海水流速為0.2 m/s。

圖5 Ansys海洋環境示意圖Fig.5 Ansys ocean condition

4 結構整體結構強度校核

4.1 慣性釋放原理

慣性釋放的基本原理，就是采用結構質量的慣性力來抵消施加的不平衡載荷，即結構雖然無任何約束，但結構已經處于“靜態”平衡狀態。慣性釋放法需要提供一個指定的自由體支撐點，稱為“虛支座”，該點可提供限制自由體運動的約束，但是不會引入多余的支反力。

4.2 邊界條件

對于海上浮式風機，國內外目前沒有出臺對應校核桁架式Spar結構的浮式風機基礎強度規范，在進行浮式風機基礎校核的時候首先需要消除6個自由度的剛體運動。通過上文所述的慣性釋放方式，選取一個邊界作為整體校核的虛支座。

4.3 材料參數

浮體所選用的鋼材為海洋結構物專用鋼材EH36，參數如表2所示。

表2 材料參數表Tab.2 Material parameters

4.4 總體強度分析結果

結構的整體變形和整體結構的Von-mise應力云圖如圖5～圖8所示。可以發現應力主要發生在連接處，尤其在桁架和垂擋板連接處內部，應力值為全結構處最大的應力。工況1可以看出整體結構受到垂向的力很大，工況2結構也出現了很大的橫向變形。無論工況1還是工況2 Von-mise應力都在屈服應力允許范圍之內，垂蕩板在垂向方向有嚴重的變形。對于垂蕩板內橫撐，肋板的設計還有待于完善。但對于一般的海況，結構強度完全符合要求。

圖6 工況1整體變形Fig.6 Case1 total deformation

圖7 工況2整體變形Fig.7 Case2 total deformation

圖8 工況1整體結構Von-mise應力云圖Fig.8 Case1 total Von-mise stress

圖9 工況2整體結構Von-mise應力云圖Fig.9 Case2 total Von-mise stress

表3 工況1和工況2結構關鍵部位應力值Tab.3 Case1 and Case2 important structure stress

整體結構中的應力最大值節點和該部位的最大應力值如表1所示。-29 m，-8 m處為結構垂擋板和桁架交叉處位置，-8 m處給出了垂擋板最大應力位置和最大Von-mise應力值。表1中的數據說明了結構的交叉部位容易產生應力集中，應該采取不一樣的連接方式，通過曲面過渡，改變應力集中的現象。

5 結 語

通過直接計算法計算海上浮式風機基礎強度，先通過水動力分析得到浮式基礎的輻射力值，進而進行強度計算得到了浮式基礎的Von-Mise應力及變形結果。通過結果可以發現垂擋板部位和桁架連接處部位屬于高應力區域，需要進行結構的加強和優化研究。