海上風電機組與支撐結構一體化疲勞分析

楊 欣

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

海上風電機組基礎所處環境復雜，結構除受到自身重力之外，還受到風、波浪、海流、運行荷載及地震波、浮冰荷載等各種動力荷載，使結構在服役期間不停息地發生振動[1]。在這種持續的振動作用下，結構會在未達到極限應力，甚至是未達到彈性極限時發生破壞，即發生疲勞破壞。在實際工程中，疲勞破壞會嚴重威脅海上風電機組基礎的使用安全，因此疲勞破壞問題不容忽視[2,3]。

目前針對海上風電疲勞特性的研究方法通常包括兩種，頻域分析方法和時域分析方法[4]。時域分析方法是通過監測或模擬得到荷載的時間序列，將得到的荷載施加在結構上，進行瞬態動力學分析，得到應力-時程曲線，通過雨流計數法統計得到應力幅值、循環次數，根據S-N曲線理論與Miner線性累積損傷理論計算得到結構的疲勞損傷值[5]。頻域分析方法通常是采用譜分析的方法，需要根據研究海域的聯合概率密度函數，得到結構在風浪流作用下的響應函數，再進行結構的疲勞損傷分析[6,7]。

對于傳統的海洋石油平臺來說，疲勞通常只考慮波浪荷載作用，而忽略風、海流對結構的疲勞破壞。而對于海上風電基礎來說，結構承受著風荷載帶來的巨大的水平力和傾覆力矩，因此必須考慮結構受到風、波浪的聯合作用[8]。而目前大多采用風、波浪單獨計算疲勞損傷，再線性疊加的方法進行考慮，此種方法會忽視風浪聯合作用的非線性影響因素，因此不能準確地反映結構的疲勞特性。

2 疲勞分析方法

2.1 模型建立

本算例采用Bladed軟件自帶的某5MW風電機組進行計算。風輪直徑為118 m，輪轂高度為80 m，切入風速為3.5 m/s，切出風速為25 m/s。

基礎采用某海上風電單樁基礎，樁徑約為7～8.2 m，壁厚約為65～80 mm，樁尖高程為-62 m，樁頂高程為10 m。單樁基礎模型如圖1所示。本算例基于p-y曲線法計算得到泥面處水平剛度為1.31×106kN/m，轉動剛度為4.75×108kN·m/rad。

圖1 單樁基礎示意(國家85高程)

2.2 分析方法

本研究采用Bladed軟件進行建模，上部風機結構采用軟件自帶5MW風電機組，下部支撐結構采用某海上風電單樁基礎，建立包含葉片、機艙、塔筒、基礎的一體化模型。①首先通過Bladed軟件模擬得到環境荷載時間序列，其中，風荷載求解基于葉素動量理論，波浪荷載求解基于莫里森方程。運動方程的求解基于能量守恒原理和拉格朗日方程。②采用雨流計數法統計得到應力幅值-循環次數關系，基于S-N曲線理論及Miner線性累積損傷理論計算得到結構的疲勞損傷。計算得到結構20年壽命期內分別在風浪聯合作用、風浪線性疊加情況下產生的疲勞損傷，并進行比較分析。圖2是采用Bladed軟件建立的模型，圖3是本研究的技術路線圖。

圖2 一體化模型

圖3 技術路線

2.3 計算工況

根據風電場風速、波高、波周期分布確定計算工況，本算例分別考慮了工況一：輪轂處風速5 m/s、有效波高0.2 m、有效波周期5 s；工況二：輪轂處風速8 m/s、有效波高1.4 m、有效波周期6 s進行計算，風、浪同向。

3 結果與討論

3.1 風、波浪模擬

首先利用Bladed進行環境荷載的模擬，得到兩種工況下輪轂處風速、波高隨時間的變化曲線，如圖4所示。

3.2 熱點應力計算

由于塔筒底部容易存在因變截面、變壁厚等管節對接產生的偏位問題[9,10]，更容易產生疲勞損傷問題，本算例根據DNV-RP-C203[12]所規定的公式進行應力集中系數的計算，主要考慮壓縮正應力、彎曲應力的截面疊加應力。

圖4 風速、波高變化時程曲線

(1)

根據公式(1)計算得到塔筒底部應力集中系數為1.324，通過截面總正應力乘以計算所得應力集中系數，即可得到熱點應力。圖5為塔筒底部在風浪聯合作用下的熱點應力隨時間變化曲線。

3.3 雨流計數統計

影響疲勞的主要因素是熱點應力對應的應力幅值、循環次數，通過雨流計數法統計得到熱點應力的各級應力幅值和對應的循環次數，結果如圖6所示。

圖5 風浪聯合作用下熱點應力變化時程曲線

圖6 雨流計數統計結果

3.4 疲勞損傷計算

S-N曲線是以對數橫坐標為壽命周次，對數縱坐標為最大應力幅值的曲線，能夠表示標準試件的疲勞強度與疲勞壽命的關系[11]。參考DNV-RP-C203[12]規范，選擇合適的S-N曲線。

根據線性累積損傷理論，結構經受n次循環的損傷值D=n/N，當n=N，則D=1，結構發生疲勞破壞[13,14]，結合統計得到的應力幅值、循環次數，所選擇的S-N曲線，通過線性損傷累積理論可以計算得到結構的疲勞損傷值，根據t時間內的損傷值可推算出結構在20年壽命期內的疲勞損傷[15]。

表6 疲勞損傷值

根據表6可以發現，兩種工況下計算得到的結構在20年壽命期內的疲勞損傷值都小于1，未發生疲勞破壞。此外，由風浪聯合作用計算得到的損傷值大于風浪線性疊加計算值，兩種不同工況的偏差分別為38.56%、31.97%，通過考慮結構在單獨風、單獨浪作用下的損傷再簡單地進行線性疊加，會忽略風浪聯合作用于結構時的非線性因素影響，因此，在實際的工程中，不能簡單地通過線性疊加來進行計算，會導致結果計算不準確，結構設計不安全。

4 結論

本文將通過Bladed對風電機組、塔筒、基礎進行建模，以某5MW海上風電單樁基礎為研究對象，采用時域分析方法進行計算，基于雨流計數法、S-N曲線理論與Miner線性累積損傷理論分別計算得到了結構塔筒底部受到單獨風作用、單獨浪作用、風浪疊加作用產生的疲勞損傷，并將風浪線性疊加、風浪聯合作用產生的損傷值進行對比，結果表明：分別計算風、波浪單獨作用，并加以疊加得到的結構損傷值小于風浪聯合作用結構產生的損傷值，其偏差高達35.56%，在實際工程中，這樣的方法會使設計偏于不安全，驗證了疲勞計算時考慮風浪聯合作用的必要性。