文 | 吳永祥，羅翔

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基于SACS-Bladed的海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法研究

文 | 吳永祥，羅翔

海上風電機組基礎(chǔ)與陸上風電機組基礎(chǔ)受力情況不同，除了承受風載荷、上部風電機組運行載荷以外，還承受波浪、海流等載荷，因此進行多工況下風電機組基礎(chǔ)的疲勞分析是工程設計過程中的難點。海上風電機組基礎(chǔ)屬于海洋結(jié)構(gòu)工程范疇，但因為風電機組塔筒結(jié)構(gòu)兼具高聳結(jié)構(gòu)的特性，動力特性明顯，易發(fā)生疲勞損傷，同時風電機組支撐結(jié)構(gòu)又具有自身受力特點，因此對海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析需要考慮：土壤+波浪+支撐結(jié)構(gòu)+塔筒+機艙葉片的整體結(jié)構(gòu)分析模式。

本文以某四樁導管架海上風電機組基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)為例，通過海洋工程設計軟件SACS以及風電機組載荷計算軟件Bladed聯(lián)合進行疲勞計算分析。分析過程全面考慮了海上風電機組的疲勞載荷，包括波流載荷和風電機組載荷時程曲線，參考選取API、DNV等規(guī)范建議的S－N曲線，基于Miner疲勞累積損傷理論進行結(jié)構(gòu)管節(jié)點疲勞壽命計算，計算效率高、分析精確，為海上風電機組基礎(chǔ)在風波流耦合條件下的結(jié)構(gòu)疲勞分析提供一定的方法和思路。

疲勞分析方法

海洋平臺結(jié)構(gòu)一般采用譜疲勞分析方法：該方法認為波浪載荷是造成海洋平臺結(jié)構(gòu)疲勞的主要原因，通過波浪的概率分布來計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，稱為譜疲勞分析方法。陸上風電機組結(jié)構(gòu)的疲勞分析，一般采用風電機組等效疲勞載荷來進行結(jié)構(gòu)的疲勞計算。而對于海上風電機組基礎(chǔ)來說，同時要承受波浪載荷和風電機組載荷的耦合作用。

現(xiàn)有的歐洲、國內(nèi)的工程實踐以及研究表明，疲勞分析是海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設計難點，疲勞工況也是風電機組支撐結(jié)構(gòu)分析的控制工況?，F(xiàn)有的一些分析方法是將風電機組疲勞損傷和波浪疲勞損傷進行簡單疊加，而國外的研究表明，此種做法過于保守，實際上應該考慮風電機組載荷和波浪載荷的耦合效應。國外歐洲Utgrunden項目采用的是風電機組載荷疲勞損傷和波浪疲勞損傷分別計算，然后采用平方和開平方得到最終疲勞壽命；Blyth項目采用的是完全時域模擬方法，將風電機組疲勞載荷和波浪疲勞載荷全時間域內(nèi)計算，共計90個工況。Jan van則提出采用完全時域模擬方法，并用于實際項目結(jié)果符合良好。國內(nèi)方面，目前的疲勞設計中，一般采用傳統(tǒng)的等效載荷疲勞分析方法進行分析。

疲勞載荷分析

一、風電機組載荷

海上風電機組支撐結(jié)構(gòu)主要載荷是風電機組載荷。目前國內(nèi)風電機組載荷計算一般選用專業(yè)計算軟件GH Bladed，而海上風電機組支撐結(jié)構(gòu)設計屬于海洋工程領(lǐng)域，在具體的分析過程中，一般由風電機組廠家按照IEC 61400規(guī)范要求提供相應的風電機組載荷。

二、環(huán)境載荷

海上風電機組基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)受到的環(huán)境荷載主要為風、波流載荷。一般采用常規(guī)海洋工程方法計算，作用于支撐結(jié)構(gòu)以及塔架上的風載荷按照靜態(tài)風壓計算，波流載荷按照API RP-2A 規(guī)范中的Morison公式計算。

三、動力特性

海上風電機組支撐結(jié)構(gòu)塔筒剛度較小，結(jié)構(gòu)較柔，易發(fā)生共振，動力特性明顯。一般基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)設計需要滿足結(jié)構(gòu)的固有頻率介于風電機組葉片的頻率1P和3P之間，并考慮10％的安全系數(shù)，保證結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振。

疲勞分析流程

傳統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)物疲勞分析方法和風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法都有一定的局限性，隨著分析技術(shù)的進步以及專業(yè)設計軟件的發(fā)展，本文通過采用SACS軟件和Bladed軟件建立起合適的專業(yè)數(shù)據(jù)接口，找到一種合理的計算方法對風電機組疲勞載荷和波浪載荷進行耦合分析。具體疲勞分析流程如下：

（一）采用SACS軟件建立風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)輪轂高度模擬建立塔筒模型。

（二）依據(jù)API RP 2A規(guī)范計算得出土壤特性曲線，豎向載荷－位移T-Z曲線、樁尖載荷－位移Q-Z曲線以及側(cè)向承載力－位移P-Y曲線。

（三）通過SACS對風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行計算，并輸出BLADED可讀取的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件precede.$PJ。

（四）運行分析程序BLADED直接讀取基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件precede.$PJ，然后根據(jù)IEC61400-1_ed3設計規(guī)范進行疲勞工況計算（N個）。通過計算然后分別把每個工況下的疲勞力存儲在相應的文件夾X（X是1-N，下同）下的文件thload（x）.dat中，對應的風的時程力曲線存儲在相應的文件夾X下的文件thwind（x）.dat中，然后把每個工況對應的波浪參數(shù)存儲到相應的文件夾X下的文件wvrinp（x）.dat中。

（五）風電機組基礎(chǔ)的疲勞計算步驟

1．根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型、海況條件和土壤條件進行樁基線性化，生成樁基的超單元文件dynsef.sup。

2．進行樁基結(jié)構(gòu)動力分析，讀入上步結(jié)果文件dynsef. sup生成結(jié)構(gòu)的剛度矩陣dynmod.dyn和質(zhì)量矩陣dynmas. dyn。

3．疲勞工況荷載1條件下，讀入疲勞時程力、風、波對應的文件thload（1）.dat、thwind（1）.dat、wvrinp（1）. dat和結(jié)構(gòu)的剛度矩陣dynmod.dyn和質(zhì)量矩陣dynmas.dyn文件然后生成wvroci.dat文件，該文件存儲內(nèi)容為把結(jié)構(gòu)所附加的時程力、波譜力等轉(zhuǎn)化為SACS LOAD，然后進一步的通過wvroci.dat和dynsef.sup生成靜力公用輸出文件saccsf（1）.dat，該文件存儲內(nèi)容為結(jié)構(gòu)在該工況1下的節(jié)點應力最大值和最小值，也即節(jié)點應力幅。然后通過saccsf （1）.dat和疲勞設置文件ftginp（1）.dat共同進行該工況1下的疲勞計算，生成該工況1下的疲勞壽命文件ftglst（1）. dat和疲勞累積損傷文件ftgdmo（1）.dat。

4．疲勞工況荷載2條件下，讀入疲勞時程力、風、波對應的文件thload（2）.dat、thwind（2）.dat、wvrinp（2）. dat和結(jié)構(gòu)的剛度矩陣dynmod.dyn和質(zhì)量矩陣dynmas.dyn文件然后生成wvroci.dat文件，該文件存儲內(nèi)容為把結(jié)構(gòu)所附加的時程力、波譜力等轉(zhuǎn)化為SACS LOAD，然后進一步的通過wvroci.dat和dynsef.sup生成靜力公用輸出文件saccsf（2）.dat，該文件存儲內(nèi)容為結(jié)構(gòu)在該工況2下的節(jié)點應力最大值和最小值，也即節(jié)點應力幅。然后讀取saccsf （2）.dat和疲勞設置文件ftginp（2）.dat，以工況1下輸出的疲勞累積損傷文件ftgdmo（1）.dat共同進行該工況2下的疲勞計算，生成該工況2下的疲勞壽命文件ftglst（2）. dat和疲勞累積損傷文件ftgdmo（2）.dat。

5．疲勞工況X條件下，重復上面的步驟，疲勞計算中讀取X-1工況下的疲勞累積損傷輸出文件ftgdmo（X-1）. dat用于進行疲勞壽命計算，然后輸出疲勞累積損傷文件ftgdmo（X）.dat用于X+1工況下的疲勞計算。

6．疲勞工況N條件下，重復上面的步驟，讀取N-1工況下的疲勞累積損傷輸出文件ftgdmo（N-1）.dat用于進行疲勞壽命計算,生成疲勞結(jié)果文件ftglst（N）.dat即為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

通過以上步驟，實現(xiàn)了利用專業(yè)分析軟件進行海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的風波流耦合分析。

疲勞部位分析

一、管節(jié)點結(jié)構(gòu)

海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要為圓管結(jié)構(gòu)，造成其破壞的主要情況有彎曲、軸向拉伸和彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)以及靜水壓力的共同作用等。管節(jié)點是海上風電機組支撐結(jié)構(gòu)的薄弱位置，設計過程中應滿足構(gòu)造強度、抗沖剪強度和焊縫疲勞強度等要求。管節(jié)點示意圖見圖1。

管節(jié)點構(gòu)造強度應滿足：

抗沖剪強度應滿足：

管節(jié)點設計疲勞壽命的安全系數(shù)根據(jù)重要性和所處位置選取不同數(shù)值，參照DNV-OS-J101規(guī)范要求其取值從1.0－3.0。

由于SACS軟件內(nèi)置了各種規(guī)范以及相應的S－N曲線，在設計過程中可以根據(jù)需要直接選用相應的規(guī)范。國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)疲勞計算選取的S－N曲線一般基于陸上鋼結(jié)構(gòu)設計而定，沒有考慮海洋環(huán)境腐蝕、海生物等因素對海上結(jié)構(gòu)物疲勞壽命的影響。綜合考慮，在本次計算中選取美國石油工程學會API推薦的S－N疲勞損傷曲線，見圖2。

工程案例分析

一、風電機組結(jié)構(gòu)模型

本工程為某海上3MW風電機組四樁導管架基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，塔筒高度為90m，恒定轉(zhuǎn)速為18rpm，使用壽命20年。風電機組所處海域水深20m，一年一遇風速25.3m/s。波高為6.2m，波周期為10.2s。導管架基礎(chǔ)樁徑1.8m，入泥深度為65m，風電機組導管架基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)、樁結(jié)構(gòu)及塔筒結(jié)構(gòu)組合模型如圖3所示。

二、疲勞壽命分析

對于導管架中的主要管節(jié)點進行疲勞分析，疲勞損傷曲線選用API規(guī)范建議的S－N曲線，應力集中系數(shù)根據(jù)DNV規(guī)范建議的Efthymiou方法計算。通過第3節(jié)中的計算流程和方法對導管架結(jié)構(gòu)進行疲勞分析，主要管節(jié)點疲勞壽命分析結(jié)果見圖4。

三、疲勞結(jié)果分析

海上風電機組機組設計壽命一般為25年，從圖4可以看出，導管架結(jié)構(gòu)主要管節(jié)點的疲勞壽命能夠滿足設計要求，結(jié)構(gòu)是安全的。有別于常規(guī)的疲勞分析方法，本工程案例中通過復雜的程序轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了海上風電機組基礎(chǔ)風波流耦合疲勞分析。由于風電機組載荷和波浪載荷計算分別屬于兩個專業(yè)，涉及不同的領(lǐng)域，國內(nèi)外設計過程中也沒有統(tǒng)一的方法，因此在設計過程中對規(guī)范的選取以及參數(shù)選擇等還需要進行深入的研究以確保分析結(jié)果的準確性和可靠性。

結(jié)論

針對海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞載荷特點，本文利用海洋工程分析軟件SACS和風電機組載荷計算軟件Bladed進行聯(lián)合計算。通過Bladed軟件輸出了風作用下風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞應力時程曲線，然后通過SACS軟件內(nèi)置的疲勞分析模塊，最終實現(xiàn)了海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的風波流耦合疲勞分析計算。相比較現(xiàn)有的波浪譜疲勞分析以及簡單的等效載荷疲勞分析方法，本文提供了一種風波流耦合計算的疲勞分析方法及分析流程，并通過導管架風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程案例進行了計算，為以后的工程設計提供了新的分析思路。

（作者單位：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司）