海上風電機組與支撐結構一體化動力響應分析

楊 欣

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

海上風電不同于陸上風電，所處海洋動力環境復雜，其結構受力和動力響應也更加復雜。除結構自重、風荷載之外，還要承受波浪荷載、水流荷載。在各種動力荷載作用下，結構會不斷發生振動，從而對結構服役期內正常運行產生威脅。因此，需要對其進行精準的動力分析。海上風電系統是一個耦合系統，風機與塔架、樁柱、地基等的受力、變形和運動都不可分割。因此，將風電機組-支撐結構作為一個整體，從耦合系統的角度開展研究是十分必要的。目前，國內外學者針對將風電機組-塔架-基礎作為整體進行一體化設計開展了大量研究，同時致力于開發一體化荷載計算平臺與分析工具。

依托OC3、OC4、OC5[1]項目，國外學者進行了一系列設計分析工具的研究，致力于完善海上風機整體計算分析平臺。MHI Veatas通過與Ramboll合作，已經成功開發了海上風電行業內首個封裝式風機-基礎整體荷載計算軟件SMART Foundation Loads。國內的金風科技針對風電機組-基礎一體化設計進行了相關研究，開發了數字化荷載計算平臺iDO。

研究表明，采用一體化設計能夠顯著降低結構設計成本。DNV GL的FORCE項目提出了一體化設計理念，認為通過風電機組-基礎一體化設計，可至少降低10%成本[4]。翟恩地等[5]利用數字化云平臺對機組、塔架、基礎進行一體化設計分析，與傳統分布迭代設計計算方法進行比較，研究了在極端工況下結構的靜強度和疲勞極限工況下結構的疲勞損傷，結果表明：在極端工況和疲勞工況下，由一體化設計方法計算得到的結構靜強度、變形及疲勞損傷相對于傳統迭代計算方法有較大幅度的降低。周昳鳴等[6]通過數字化云平臺iDO研究了在塔架直徑、基礎結構直徑不同時整體支撐結構的質量，并與傳統分布迭代設計方法得到的結果進行比較，結果表明：一體化設計方法能夠給出更為優化的設計方案，減輕整體支撐結構重量。王宇航等[7]通過Bladed與Sesam建立風機-塔筒-基礎一體化模型，實現了固定式風電機組在極限工況下的一體化分析，并與傳統迭代設計結果進行對比，發現一體化設計對降低構件內力、基礎結構用鋼量具有顯著作用。

目前，由于風機廠商對風電機組上部結構資料的保密，設計院無法獲得上部結構的設計參數，因此，國內大部分設計院都采用分離式設計方法對基礎進行設計和校核，即以塔筒和基礎交界面為分界線，先由風機廠商建立包含塔架和初步設計的基礎的一體化模型，根據環境荷載對塔架等進行設計，得到最優解后提供交界面處的最大荷載，設計院根據最大荷載對基礎進行優化與校核，風機廠商再根據優化后的基礎對塔筒等進行校核。這種方法會導致上部荷載被簡化為線性組合，也會重復考慮波浪、海流荷載，造成基礎設計偏于保守。一體化設計方法是將結構進行一體化建模、考慮風浪耦合作用進行一體化荷載計算，所得荷載直接應用于結構設計校核。

本文將通過Bladed與Sacs軟件建模，以某5 MW單樁基礎為研究對象，分別通過一體化分析方法與分離式分析方法進行結構在極端工況下的動力響應計算。

2 一體化與分離式分析方法

2.1 模型建立

2.1.1 地基剛度計算

由于Bladed軟件不能直接對樁、土進行建模，只能通過地基剛度反映樁土作用，故本文基于p-y曲線法，利用Lpile軟件計算出泥面處水平剛度、轉動剛度。計算得水平剛度為1.31×106kN/m，轉動剛度為4.75×108kN·m/rad。

2.1.2 支撐結構參數

單樁基礎方案采用一根直徑D為7000～8200 mm(壁厚65～80 mm)、平均樁長為71.0 m的鋼管樁打入海底基床，樁尖平均高程為-61.0 m，樁身入土深度約50 m，樁頂高程為10 m。單樁基礎模型相關參數及土壤主要性能參數如表1和表2所示。

表1 單樁基礎模型參數(據國家85高程)

表2 土壤主要性能參數

2.1.3 風機主要性能參數

風機主要性能參數如表3所示。

表3 5 MW風機的主要性能參數

2.2 分析方法

本算例依托奉賢海上風電項目，支撐結構為單樁基礎，風機為某5 MW樣本風機。分別通過一體化分析方法與分離式分析方法進行結構的動力響應計算，主要分析方法為：①通過Bladed軟件建立包含風電機組-塔架-基礎的一體化模型，進行結構動力響應計算得到塔筒與基礎交界面處荷載時程力；②通過Sacs軟件對交界面以下基礎進行建模，對設計交界面施加荷載時程力，進行結構的動力響應計算；③對①及②計算得到的基礎結構在泥面處產生的剪力進行對比分析。圖1為一體化設計、分離式設計示意圖，圖2為本文所建立的一體化模型與分離式模型，圖3為塔架荷載坐標系統。

圖1 一體化與分離式設計示意

圖2 一體化模型與分離式模型

圖3 塔架荷載坐標系

2.3 計算工況

根據IEC61400-3《Design requirements for offshore wind turbines》[8]確定計算工況，本文選取停機(或空轉)工況中的6.1a、6.1b工況，考慮穩態風+規則波、穩態風+隨機波、湍流風+規則波、湍流風+隨機波四種工況組合，風、浪同向，均來自0度方向(自北方)，風、波浪參數取值參考表4。

表4 計算工況

3 結果與討論

3.1 風、波浪模擬

圖4為通過Bladed軟件模擬所得的不同工況下輪轂處風速、波高時程曲線。

由圖4可以看出，穩態風輪轂處風速保持43 m/s，湍流風輪轂處風速介于22.5～63.7 m/s，平均風速為41.7 m/s。

圖4 輪轂處風速、波高變化曲線

3.2 泥面處剪力對比分析

針對不同的荷載組合工況，分別通過一體化計算、分離式計算得到基礎在泥面處的剪力Fx，對30～100 s內Fx時程變化曲線進行了比較，結果如圖5所示。

圖5 泥面處作用力時程曲線

從Fx的時程變化曲線可以看出，在4種工況下，由一體化計算得到的泥面處剪力與分離式計算得到的曲線趨勢基本一致，主要偏差表現在峰值與谷值處。在峰值處，普遍表現為分離式大于一體化，在谷值處為分離式小于一體化，分離式時程力變化幅值大于一體化。

對不同工況下結構在泥面處剪力的最大值、最小值進行統計并進行偏差計算，結果如表6所示。

表6 結構內力偏差

從表6可以發現，對Fx而言，最大值為分離式大于一體化，偏差介于4%～11%，最小值為分離式小于一體化，且最小值均為負值，最大偏差達到了34.7%。在設計中時程力的最大值、最小值通常為重要影響因素，分離式計算得到的時程曲線峰值普遍大于一體化、谷值小于一體化，作用于結構的荷載幅值大于一體化計算，將會造成結構設計偏于保守，結構設計成本增高。

4 結論

本文依托奉賢海上風電項目，利用Bladed軟件建立了包含葉片、機艙、輪轂、塔筒、基礎的一體化模型，利用Sacs軟件建立了包含基礎的分離式模型，分別通過一體化計算與分離式計算進行了結構的動力響應分析，驗證了一體化計算在固定式海上風電設計中的應用價值。

分別通過一體化計算、分離式計算進行結構的動力響應分析，得到結構在泥面處的剪力時程曲線，比較兩者可以發現，一體化與分離式計算得到的泥面處剪力時程曲線趨勢基本一致，僅在峰值及谷值處存在偏差，在峰值處，分離式大于一體化，在谷值處，分離式小于一體化。對結構在泥面處剪力的最大值、最小值進行統計并進行偏差分析，發現最大偏差達到了34.7%，因此，在實際工程中，分離式設計過于保守，采用一體化計算可以有效地降低設計成本。