基于LS-DYNA的海上風機單樁防撞設施碰撞仿真分析

嚴 亮，萬 敏，張曙光，湯榮鏗，楊春暉

(1.中國人民解放軍92228部隊，北京 102488；2.南京長峰航天電子科技有限公司，江蘇 南京 210000；3.南京市海洋裝備及防務工程研究中心，江蘇 南京 210000；4.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

在能源問題日益緊張的今天，海上風能作為一種優質的可再生能源而受到廣泛關注。由于技術及環境等方面的約束，在建的海上風電場多位于近海，靠近繁忙的航道。隨著海上風力發電機組數量的增多，海上風力發電機組與船舶碰撞的概率也隨之提高。船舶與海上風力發電機組碰撞會導致海上風機的結構強度大幅度削弱，不僅影響海上風機的正常運行，還會增加運維成本，甚至可能造成人員傷亡事故。因此，為海上風力發電機組基礎設計防護措施是十分必要的。

海上風力發電機的基礎可分為固定式基礎和漂浮式基礎。固定式基礎包括：重力式基礎、吸力式基礎、單樁鋼管基礎、三腳架式基礎和導管架式基礎等。單樁式基礎是目前廣泛使用的海上風力發電機基礎形式。雖然單樁基礎結構移動困難，且隨水深的增加，其穩定性越差，不適用于深海，但相比于其他基礎的結構，單樁式風電基礎的結構形式簡單，設計與安裝較方便，目前在淺水和20～25 m水深的海域應用較多。國內許多學者對海上風機基礎防撞進行了大量的研究。郝二通在海上風機基礎碰撞仿真分析的基礎上提出一種防撞裝置優化設計方法。謝逸群設計了一種單樁式基礎的防撞裝置。劉宇航等分析了3種常用固定式基礎在碰撞中的風機運動響應，發現單樁基礎的風機運動響應更明顯。本文針對單樁式海上風機基礎防護設施，利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬船舶與防護設施的碰撞過程，研究防護設施性能和防護效果，并對結構優化提出建議。

1 防護設施構造及尺寸設計

海上風機單樁基礎防護設施旨在通過利用自身的結構和力學原理，消耗和吸收船舶的碰撞力與碰撞動能，達到保護海上風力發電機單樁基礎的效果。本文選取的防護設施見圖1(a)。防護設施是基于外徑為6.4 m的海上風機單樁基礎而設計的，整體為圓環式浮筒結構，其參數為：圓環內徑6.4 m，外徑10 m，浮筒高6 m，吃水4 m，水上留有2 m高的結構。浮筒由內外艙壁、3層甲板、3個圓形縱桁、4個橫艙壁和36個“日”型橫骨架組成，見圖1(b)。

內外艙壁構成浮筒的主要結構。外艙壁與碰撞的船舶直接接觸，內艙壁則通過一定的緩沖裝置如橡膠、彈簧等材料與單樁基礎相連。3個圓形縱桁分別固定于主甲板下方、二甲板下方和艙底上方，由T型材組成，圓形縱桁圓心與甲板板圓心重合，直徑為8.2 m，即位于圓環甲板板的中間位置。4個橫艙壁則每隔90°設置1個，不僅起到加固結構的作用，同時還將防護設施分割成4個艙室，便于安裝與拆除。36個“日”型骨架分為4組，分布于4個艙室中，見圖1(c)。9個骨架以圓環圓心為圓心，每隔9°設置1個，其橫剖面見圖1(d)。

圖1 防護設施基本結構圖(單位：mm)

2 碰撞數值模型

2.1 碰撞工況

由于單樁式海上風機在淺水和20～25 m水深的海域應用較多，因此本文選擇4 000 t近海散貨船為碰撞船舶模型，其船首形狀為球鼻型船首。船舶主尺度如下：總長92 m，水線長85.71 m，垂線間長88.19 m，型寬13.8 m，型深7.1 m，吃水5.7 m。

為了測試防護設施的防撞性能，船舶碰撞選取了2個不同的撞擊角度(見圖2)：第1種是船首正向撞擊防護設施橫艙壁位置，此位置被認為是防護設施橫向防撞強度最高的地方；第2種是船首正向撞擊防護設施無骨架位置，此位置被認為是防護設施橫向防撞強度最薄弱的地方。船舶的速度設定為0.5 m/s和1.0 m/s，分別模擬這2種速度下不同角度的撞擊結果，因此共模擬了4種碰撞工況。

圖2 船舶碰撞角度示意圖

采用附連水質量法來模擬流體對碰撞系統的影響，附連水質量一般取0.02～0.07(為船舶的排水量)。本文所選取的工況都是船舶正向撞擊防護設施，最終選擇附連水質量為0.05，船舶的排水量為4 200 t。

2.2 碰撞有限元模型

船舶、風機單樁基礎及其防護裝置的材料均為低碳鋼Q235。在發生碰撞時，船舶與防護裝置的結構將產生瞬間變形，材料的應力-應變曲線呈現出更復雜的關系。為準確模擬碰撞過程，選取Cowper-Symonds關系式為基礎的非線性塑性材料模型，表達式如下：

由于本文選取的防護設施由鋼板組成，因此選用薄殼單元(SHELL163)作為防護設施的單元屬性。定義板材的殼單元厚度為20 mm，型材的殼單元厚度為8 mm。面單元的網格形狀選取四邊形。網格劃分后的防護設施有限元模型見圖3。將防護設施的艙底進行固定約束，6個自由度完全固定。

圖3 防護設施有限元模型

為了簡化計算，船首使用非線性塑性材料Q235，船身采用剛性材料。船首部分面單元被賦予薄殼單元SHELLL163屬性，以便更準確地模擬碰撞時船舶與防護設施的接觸。船身部分則賦予實體單元SOLID164屬性。艏部面單元網格形狀選擇四邊形，單元尺寸為1 m，厚度為15 mm，船身體單元網格形狀選取六面體。船舶的網格劃分見圖4。

圖4 船舶有限元模型

船舶與防護設施的接觸形式為艏部與防護設施接觸選用自動面面接觸，艏部與船身、防護設施與內部骨架的接觸為自動單面接觸。艏部與防護設施距離設置為0.8 m，其碰撞前的位置見圖5。

圖5 艏部與防護設施位置示意圖

3 數值模擬結果分析

3.1 應力分析

由于防護設施骨架復雜，所以應力分析僅選擇受碰撞的外艙壁和受碰撞位置附近的內部結構(如橫艙壁、骨架)為研究對象，研究這些位置最大等效應力出現的時間、大小和位置。4種工況的等效應力情況如下：

(1)船以0.5 m/s的船速正向撞擊防護設施橫艙壁位置的應力云圖見圖6。1.68 s時，外艙壁所受等效應力值達到最大，最大值為17.1 MPa，最大等效應力位置出現在受撞擊的表面處。而此時的橫艙壁所受最大等效應力為63 MPa，最大等效應力位置出現在受撞擊的橫艙壁位置。

圖6 應力云圖(單位：MPa)

(2)船以1.0 m/s的船速正向撞擊防護設施橫艙壁位置時的應力云圖見圖7。1.32 s時，外艙壁所受等效應力值達到最大，最大值為95.2 MPa，最大等效應力位置出現在受撞擊的表面及稍偏左區域。此時,橫艙壁所受最大等效應力為93.6 MPa，最大等效應力位置出現在受撞擊的橫艙壁位置。

圖7 應力云圖(單位：MPa)

(3)船以0.5 m/s的船速正向撞擊防護設施無骨架位置時的應力云圖見圖8。1.74 s時，外艙壁所受等效應力值達到最大，最大值達到127 MPa。應力位置不是受撞擊位置。撞擊位置為左側骨架與橫艙壁、外艙壁的連接處。

圖8 應力云圖(單位：MPa)

(4)船以1.0 m/s的船速正向撞擊防護設施無骨架位置時的應力云圖見圖9。1.32 s時，外艙壁所受等效應力值達到最大，最大值為171 MPa，應力位置為左側骨架與橫艙壁、外艙壁的連接處和右側骨架的底端連接處。

圖9 應力云圖(單位：MPa)

3.2 位移分析

位移分析與應力分析相似，研究的對象仍是受碰撞的外艙壁和受碰撞位置附近的內部結構(如橫艙壁、骨架)，研究這些位置最大位移出現的時間、大小和位置。4種工況的位移情況如下：

(1)當船以0.5 m/s撞擊橫艙壁位置時，在1.68 s時，外艙壁位移達到最大，最大值為1.1 mm；橫艙壁位移最大為1.1 mm。

(2)當船以1.0 m/s撞擊橫艙壁位置時，在1.38 s時，外艙壁有最大位移，最大位移為9.5 mm；橫艙壁最大位移為1.4 mm。

(3)當船以0.5 m/s撞擊無骨架位置時，在1.74 s時，外艙壁位移最大值為16.9 mm，受撞擊位置兩側骨架最大位移也同時達到16.9 mm，出現位置與外艙壁最大位移位置一致。

(4)當船以1.0 m/s撞擊無骨架位置時，在1.38 s時，外艙壁位移達到最大值，最大位移為32 mm；受撞擊位置兩側骨架最大位移也同時達到32 mm。

3.3 碰撞力分析

分析4種工況的船舶與防護設施碰撞力曲線，可以得到以下結論：

(1)0.5 m/s的船速正向撞擊防護設施橫艙壁位置時，碰撞開始于1.6 s，然后在1.85 s時達到最大值，最大值為6 170 kN。該碰撞于2.050 s結束，碰撞持續0.450 s。

(2)1.0 m/s的船速正向撞擊防護設施橫艙壁位置時，碰撞開始于0.8 s，然后在0.948 s時達到最大值，最大值為7 900 kN。該碰撞于1.524 s結束，碰撞持續0.724 s。

(3)0.5 m/s的船速正向撞擊防護設施無骨架位置時，碰撞開始于1.6 s，然后在1.72 s時達到最大值，最大值為7 360 kN。該碰撞于2.112 s結束，碰撞持續0.512 s。

(4)1.0 m/s的船速正向撞擊防護設施無骨架位置時，碰撞開始于0.8 s，在0.903 s時達到最大，其值為8 240 kN。該碰撞于1.632 s結束，碰撞持續0.832 s。

3.4 能量分析

根據4種工況下船舶與防護設施碰撞后能量轉化曲線可知：當船速為0.5 m/s時，碰撞系統總能量為526 kJ；當船速為1.0 m/s時，碰撞系統總能量為2 100 kJ。碰撞系統的總能量表現為船舶的動能，而當船舶與防護設施發生碰撞時，動能迅速減小，防護設施的內能迅速增加，并且沙漏能開始出現。當動能減少到一定值時，船舶的動能開始逐漸上升，防護設施的變形能開始減少，在這個階段中，船舶被防護設施反彈回來，防護設施的變形開始恢復。最后整個系統會趨于穩定，船舶的動能和防護設施的變形能趨于定值。整個碰撞過程中的能量轉化基本符合能量守恒定律。4個工況中的沙漏能均低于總能量的5%，因此本文中的模擬結果基本是準確的。

4 結論

(1)模擬結果顯示：防護設施的外艙壁最大等效應力到達171 MPa，被撞擊位置的內部結構最大等效應力達到230 MPa，均未發生材料失效問題，撞擊后整體結構性能良好。

(2)碰撞力曲線均未出現明顯的非線性波動；船速0.5 m/s和1.0 m/s的情況下，防護設施具有良好的防撞性能，可以對單樁基礎進行保護。