文 | 吳永祥 李文通 寧紅超

海上風電機組基礎(chǔ)防碰撞分析及防護措施探討

文 | 吳永祥 李文通 寧紅超

隨著風力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，陸上可開發(fā)利用的風電場越來越少，而海上風電開發(fā)越來越受到重視。海上風電機組基礎(chǔ)作為海上風電開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，長期在海上惡劣的環(huán)境下工作，不可避免會遇到各種碰撞問題。例如，供應(yīng)船與基礎(chǔ)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)墜物到基礎(chǔ)平臺和浮冰對基礎(chǔ)的撞擊等。這些意外事故經(jīng)常使基礎(chǔ)發(fā)生整體彎曲或局部屈曲，結(jié)構(gòu)承載能力降低，直接影響到基礎(chǔ)的安全性和耐久性，甚至可能引起風電機組倒塌等災(zāi)難性后果。

根據(jù)Tebbett《最近五年鋼制平臺的修理經(jīng)驗》中對世界上100起需要修理的海洋結(jié)構(gòu)物損傷原因進行分析得到結(jié)果，約25%的海洋結(jié)構(gòu)物損傷是由于碰撞引起的。根據(jù)英國HSE機構(gòu)對海洋平臺的損傷調(diào)查，在海洋平臺發(fā)生損傷的原因調(diào)查中船舶碰撞占11.2%，是主要原因之一。根據(jù)DNV海洋工業(yè)報告，在挪威北海海域從2001年到2011年十年間共發(fā)生船舶與海洋平臺碰撞事故26起，其中6起造成嚴重后果。

海上風電機組基礎(chǔ)與海洋平臺有著類似的結(jié)構(gòu)形式，但是由于海上風電機組處于剛剛起步階段，技術(shù)尚未成熟，對應(yīng)的海上風電機組基礎(chǔ)碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標準規(guī)范可供參考。本文對海上基礎(chǔ)與船舶碰撞的研究借鑒了海洋平臺碰撞方面的標準和經(jīng)驗?；贏NSYS/LS－DYNA軟件，通過結(jié)構(gòu)模型化及數(shù)值仿真計算，獲得并分析了船橋碰撞力、能量轉(zhuǎn)換、以及風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)的一般規(guī)律和特點，從而為海上風電機組基礎(chǔ)設(shè)計、維護、防撞措施等提供理論上的支持。

船舶與海洋平臺基礎(chǔ)碰撞理論發(fā)展

早在20世紀60年代，Minorsky在20多個船舶與平臺碰撞事故或者實驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析中，得到了撞擊船的動能損失量與被撞平臺結(jié)構(gòu)損傷之間的線性關(guān)系，并以經(jīng)驗公式的形式給出。Martin J.Petersen的研究工作也同樣具有代表性，對二維情況下的碰撞運動過程進行了分析。20世紀70年代，McDermott等人根據(jù)塑性靜力學的基本理論和方法對游輪與平臺結(jié)構(gòu)的低能碰撞問題作了研究。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，Reckling、Minorsky和Yang等人相繼采用有限元技術(shù)對船舶平臺碰撞問題進行了研究分析。20世紀90年代，Kawamoto及Che和Jang利用顯示非線性分析程序MSC/DYTRAN對超大型油輪在碰撞中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了數(shù)值模擬分析，采用顯示有限元法（LSDYNA3D）分析撞擊船的船艏和被撞平臺的結(jié)構(gòu)損傷變形，且計算中假設(shè)為剛體碰撞。

總之，隨著對碰撞問題的深入研究和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外在船舶與海洋平臺碰撞問題上的數(shù)值模擬手段越來越多，結(jié)果也越來越可靠。通過對以往案例數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和理論推導，分析結(jié)果在海洋平臺設(shè)計與維護方面也起到了越來越重要的作用。

船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)碰撞模擬方法

一、常用分析方法

由于碰撞區(qū)的變形損傷程度與船舶安全性以及事故后果有直接關(guān)系，因此需要充分重視內(nèi)部碰撞力學的研究。目前研究內(nèi)部碰撞力學的方法主要有：統(tǒng)計分析法、試驗法、簡化分析法和有限元法。

（一）統(tǒng)計分析法

統(tǒng)計分析法是將船舶的碰撞問題分為相對獨立的結(jié)構(gòu)損傷和動能損失，研究他們之間的關(guān)系，采用完全非線性理論求解碰撞過程中的動能損失，用附連水質(zhì)量來代替碰撞中水的影響。最后用統(tǒng)計分析方法將損傷體積和動能損失聯(lián)系起來，建立線性關(guān)系。這種依據(jù)大量相似船型的船舶碰撞數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗公式應(yīng)用很方便，但從成本上考慮顯然是不太現(xiàn)實。另外，這種方法進行了很多簡化，精度也不是很高，因此現(xiàn)在應(yīng)用很少。

（二）試驗法

對于比較復(fù)雜的無法用理論模型來表達的問題，往往可以通過試驗獲得比較可靠的結(jié)論。在船舶與海洋平臺碰撞問題上，荷蘭、丹麥、德國、日本等國的學者都進行了很多模擬碰撞試驗，并總結(jié)出了很多具有參考價值的結(jié)論。

但眾所周知，試驗需要耗費大量的時間和財力，且海洋結(jié)構(gòu)物碰撞問題本身的強非線性特征和碰撞條件的多樣性對試驗結(jié)果在實踐中的應(yīng)用產(chǎn)生很大的局限性，加之海洋結(jié)構(gòu)物的建造非常昂貴，進行此類試驗往往因耗資巨大而難以實施，因此這種方法實施起來難度很大。

（三）解析法

簡化分析方法一般研究的是破壞過程的特點，借助理論公式加以分析計算，從而為設(shè)計者提供整體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計計算工具。這種方法主要基于塑性力學中的上限理論和一些重要假設(shè)來分析碰撞問題。這些假設(shè)主要來自對碰撞事故和試驗研究的觀察分析。但往往由于它將碰撞中的船舶做了大量簡化處理，所以精度相對較低。

（四）有限元數(shù)值仿真法

數(shù)值仿真法是對船舶真實碰撞場景的虛擬再現(xiàn)，借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過程中的各種物理量都可以作為結(jié)果輸出，可以真實的模擬碰撞現(xiàn)象，部分代替實船或者模型的碰撞試驗，實現(xiàn)“虛擬碰撞”。因此有限元方法是結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)分析的強有力工具，也是研究船舶碰撞問題最為有效的方法。

但是目前在工程應(yīng)用中，由于仿真模型的建立需要一定的知識、經(jīng)驗和處理技巧，模型的計算精度并非總是令人滿意，船舶碰撞非線性有限元法用于實際船舶結(jié)構(gòu)的碰撞分析還沒有完全成熟，數(shù)值仿真法的結(jié)果仍然需要試驗或者其他研究者的計算結(jié)果來檢驗。

二、 船舶與海洋平臺碰撞問題的有限元數(shù)值仿真

船舶碰撞的數(shù)值仿真大都采用非線性有限元方法，不僅能夠考慮結(jié)構(gòu)大變形、接觸、材料非線性和結(jié)構(gòu)失效等情況，計算碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷變形與碰撞力，而且結(jié)合了外部機理的分析與計算。

目前常用的三維非線性動態(tài)響應(yīng)分析程序MSC/ Dytran和LS－DYNA等都可以用來模擬碰撞響應(yīng)，利用顯示或隱式方法求解流體－結(jié)構(gòu)的動力學控制方程，能較好的解決碰撞中的大變形、損傷、接觸、流體動力等問題。

三、本文分析方法

本文采用兩步分析方法對船舶與風電機組海上基礎(chǔ)的碰撞進行數(shù)值模擬。

根據(jù)分析經(jīng)驗，擬采用LS－DYNA和ANSYS軟件進行分析。借助ANSYS Workbench軟件與SolidWorks良好的接口和強大的模型前處理功能，對要分析的船體和風電機組基礎(chǔ)進行網(wǎng)格劃分與處理，將生成的有限元模型導入LS－DYNA進行剛體碰撞分析并提取所需結(jié)果。最后將碰撞分析結(jié)果作為輸入條件對風電機組基礎(chǔ)局部詳細模型進行分析，得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損傷。

船舶和風電機組基礎(chǔ)碰撞有限元分析

一、 海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)某風電機組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，建立六樁導管架基礎(chǔ)模型。每個基礎(chǔ)有6根鋼管樁，結(jié)構(gòu)底面直徑為24m；鋼管樁采用Q345C型鋼材，導管架鋼材為Q345D型，如圖1所示。

假設(shè)撞擊船為5000噸級，簡化后型長20m，型寬16m，型深15m，吃水線5m。計算模型碰撞區(qū)域采用殼單元建模，對艏尖艙之后的船體，因其遠離碰撞區(qū)域，實際并不產(chǎn)生變形，僅提供剛度和質(zhì)量影響，故將其省略。

二、有限元模型

根據(jù)簡化的幾何模型建立有限元模型，為減少計算時間和保證結(jié)果精度，本項目中基礎(chǔ)和船體都采用殼單元SHELL163單元建模；并對所關(guān)心的碰撞區(qū)域網(wǎng)格細化，得到整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2 和圖3所示。

三、 接觸算法

碰撞構(gòu)件之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動。

本文使用的是主從面接觸算法，在求解的每一時間步長，檢查從屬節(jié)點的位置坐標，看它是否已經(jīng)穿透主面，如果還沒有穿透，則計算工作不受影響地繼續(xù)進行；如果已經(jīng)穿透，則在垂直于主面的方向上施加一個作用力，以阻止從屬節(jié)點的進一步穿透，這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元屬性。

四、分析工況

本項目模擬了多種船艏與基礎(chǔ)碰撞的工況，并根據(jù)計算結(jié)果總結(jié)規(guī)律，得到分析船與風電機組基礎(chǔ)碰撞的一般規(guī)律。

（一）約束條件

對風電機組基礎(chǔ)鋼管樁底部位置進行全約束；為保證船艏運動方向，約束船艏沿豎直方向的自由度。模型約束條件如圖4所示。

（二）分析工況

本項目中根據(jù)船舶的初始速度大小和方向，分別計算了多種工況的碰撞分析。具體工況如表1所示。無碰撞防護措施圖和有碰撞防護措施圖如圖5、6所示。

五、碰撞分析結(jié)果

本文主要給出了船艏正面以速度V＝4m/s的速度與風電機組基礎(chǔ)垂直碰撞的情況，船體與基礎(chǔ)之間無防護裝置和有防護措施兩種情況下的相關(guān)曲線及應(yīng)力云圖，具體計算結(jié)果如圖7－圖22所示。

（一）無防護措施，見圖7－圖14。

（二）有防護措施，見圖15－圖22。

所有分析工況下，分析結(jié)果列表如表2所示。

從以上分析可以看出，結(jié)構(gòu)吸能、等效應(yīng)力、塑性變形參量隨著船初始動能的增加而增加，但是會由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低，這三個參數(shù)是衡量風電機組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標。因此，在風電機組基礎(chǔ)設(shè)計中可以通過設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，有效降低由于船舶等結(jié)構(gòu)碰撞對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響。

圖2 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 局部網(wǎng)格加密

圖4 模型約束條件

表1 船舶初始工況表

圖5 無碰撞防護措施

圖6 有碰撞防護措施

圖7 碰撞力曲線

圖8 速度、位移曲線

圖9 能量曲線

圖10 碰撞加速度曲線

圖11 碰撞過程最大應(yīng)力云圖

圖12 碰撞后殘余應(yīng)力云圖

圖13 局部應(yīng)力云圖

圖14 局部塑形應(yīng)變云圖

圖15 碰撞力曲線

圖16 速度、位移曲線

圖17 能量曲線

圖18 碰撞加速度曲線

圖19 碰撞過程最大應(yīng)力云圖

圖20 碰撞后殘余應(yīng)力云圖

圖21 局部應(yīng)力云圖

圖22 局部塑性應(yīng)變云圖

表2 船正面碰撞風電機組基礎(chǔ)

六、 防護措施

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生船舶與平臺碰撞的過程中，運維船只是造成碰撞的主要因素，所以對于海上風電機組基礎(chǔ)來說，必須充分考慮運維船只對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來的破壞性影響；通過以上的分析也可以看到，采取了一定的防護措施后，基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)受到的作用力會大大減小，可以減少船舶對支撐結(jié)構(gòu)的損壞。目前可用的方法有：在靠船的過程中，船舶逆流靠近基礎(chǔ)平臺； 增加橡膠、輪胎等緩沖裝置，減少運維船只撞擊力；在基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置、靠船件，減少船舶對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的直接沖擊力等。

結(jié)論

從上面的分析結(jié)果可以得到船與風電機組基礎(chǔ)碰撞后的響應(yīng)，包括風電機組基礎(chǔ)設(shè)計所關(guān)心的應(yīng)力、應(yīng)變、加速度、能量等參數(shù)的變化。通過對這些結(jié)果參數(shù)的分析比較，可以得到初步結(jié)論如下：

船－風電機組基礎(chǔ)碰撞的力學過程和結(jié)構(gòu)損傷可以用ANSYS/LS_DYNA軟件詳細模擬，數(shù)值計算結(jié)果可以作為風電機組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估的有效依據(jù)。

結(jié)構(gòu)吸能、等效應(yīng)力、塑性變形參量隨著船初始動能的增加而增加，但是會由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低，這三個參數(shù)是衡量風電機組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標。因此，在風電機組基礎(chǔ)設(shè)計中可以通過設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，有效降低由于船舶等結(jié)構(gòu)碰撞對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響。

從碰撞分析中還可以提出其他計算結(jié)果（如碰撞力、碰撞后速度、加速度等參數(shù)曲線），作為局部結(jié)構(gòu)詳細分析的輸入條件，可以對基礎(chǔ)或者船只結(jié)構(gòu)強度進行評估。

（作者單位：國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司）