呂　慧， 范　可， 郭夢(mèng)圓， 陳　達(dá)

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 南京 210098； 2.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

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基于AQWA的Spar基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

呂慧1， 范可2， 郭夢(mèng)圓1， 陳達(dá)1

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 南京 210098； 2.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

通過ANSYS有限元軟件建立Spar基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用AWQA軟件進(jìn)行環(huán)境荷載下基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析，得到了波浪、波流耦合及風(fēng)浪流聯(lián)合作用下基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域曲線。研究表明：波浪荷載是基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的主導(dǎo)荷載；波高對(duì)基礎(chǔ)縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響顯著，入射角對(duì)基礎(chǔ)縱蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響顯著。研究結(jié)果為Spar基礎(chǔ)在特定環(huán)境條件下的選址及應(yīng)用提供了參考。

Spar基礎(chǔ)；時(shí)域；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；AQWA

0　引言

近年來，隨著全球氣候變暖、環(huán)境污染嚴(yán)重，海上風(fēng)能作為一種綠色、清潔、可再生的能源，其應(yīng)用和發(fā)展將成為全球性趨勢(shì)[1]。Spar基礎(chǔ)作為海上浮式基礎(chǔ)的一種，具有靈活性高、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。國(guó)外，T.Utsunomiya[2]以1:22.5的比例建立了Spar風(fēng)電基礎(chǔ)的物理模型，驗(yàn)證了數(shù)模的可行性。然而，目前國(guó)內(nèi)大多針對(duì)半潛式平臺(tái)和張力腿平臺(tái)[3-6]進(jìn)行研究，未有Spar結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例，研究多處于概念性階段，且研究對(duì)象多為平臺(tái)，對(duì)基礎(chǔ)的研究很少。李溢涵[7]用Wadam軟件計(jì)算了Spar基礎(chǔ)的波浪力和水動(dòng)力系數(shù)，研究了波浪入射角和水深對(duì)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，結(jié)果表明波面升高對(duì)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)性能有重要影響。于海龍[8]以Nansen Spar平臺(tái)為例，用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)研究，表明平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)影響最大。李夢(mèng)陽[9]對(duì)Spar基礎(chǔ)進(jìn)行了水動(dòng)力計(jì)算和系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。綜上所述，對(duì)Spar基礎(chǔ)開展數(shù)值模擬及進(jìn)行環(huán)境荷載作用下運(yùn)動(dòng)特性的研究很有必要，可為Spar基礎(chǔ)在特定環(huán)境條件下的選址及應(yīng)用提供參考。

1　有限元模型

1.1結(jié)構(gòu)的基本尺度

圖1　Spar基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　Spar基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型

由于我國(guó)的海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)研究處于起步階段，不宜選擇裝機(jī)容量過大的風(fēng)電機(jī)組，故該文采用VESTAS公司V112-3MW風(fēng)機(jī)為參考機(jī)型。海上風(fēng)電Spar基礎(chǔ)共分為5部分，分別為風(fēng)機(jī)塔架、浮體、垂蕩板、立管和軟艙，Spar基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。海底采用8根吸力錨集中式布置，分為4簇，每簇2根，相鄰簇間夾角為90°，錨鏈長(zhǎng)度170 m，斷裂強(qiáng)度為9 250 kN。

Spar基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1　Spar基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2有限元模型的建立

采用ANSYS有限元軟件建立海上風(fēng)電Spar基礎(chǔ)的有限元模型，如圖2所示。將模型劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入AQWA軟件中進(jìn)行運(yùn)算[10]。模型中立管采用pipe59單元，pipe59單元是一種可以承受拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲荷載作用的單軸彈性直管單元，能夠有效模擬海洋結(jié)構(gòu)上的波浪和海流作用，并可根據(jù)需要選擇波浪理論和海流速度。其他采用shell63單元，shell63單元為板殼單元，可以模擬板殼的平面膜應(yīng)力和平面彎曲。模型共劃分網(wǎng)格4 388個(gè),由于AQWA軟件不考慮模型水面線以上部分除重力外的受力影響，且所有網(wǎng)格數(shù)目不得超過18 000個(gè)，故水面線以上模型采用粗網(wǎng)格劃分。經(jīng)過試算，增加水面線以下網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果影響不大，且收斂速度慢，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，故該文模型網(wǎng)格數(shù)目最終確定為4 388個(gè)。

2　環(huán)境荷載的確定

海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)的環(huán)境荷載主要有波浪、風(fēng)和海流荷載，該文對(duì)Spar基礎(chǔ)施加了波浪、波流耦合及風(fēng)浪流聯(lián)合荷載，進(jìn)行了不同海況下基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析。其中波浪荷載采用深水微幅波理論[11]，運(yùn)用Morison方程進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)荷載及海流荷載通過規(guī)范確定[12]。參考蘇格蘭北部設(shè)德蘭群島(61°20′N,0°0′E)水深160 m處針對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了13年共37 992個(gè)風(fēng)浪聯(lián)合作用的樣本。風(fēng)荷載樣本指10 m高度下10分鐘平均風(fēng)速v，選取具有研究規(guī)律的11組數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)海況參考值[13]，參數(shù)見表2。

表2　風(fēng)、浪、流荷載作用參數(shù)

3　結(jié)果分析

Spar基礎(chǔ)一共有六個(gè)自由度，分別為縱蕩、橫蕩、垂蕩、艏搖、縱搖和橫搖。由于基礎(chǔ)的對(duì)稱性，故該文只考慮環(huán)境荷載作用下基礎(chǔ)的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

3.1波浪荷載對(duì)基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析

采用表2中的波浪荷載對(duì)Spar基礎(chǔ)進(jìn)行波浪荷載模擬，得到基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)見表3。

表3　波浪荷載作用下的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

由表3可知：隨著波浪荷載的增大，基礎(chǔ)縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的偏移量都有了相應(yīng)的增長(zhǎng)。由于海況11中的波浪荷載較其他10種海況大，引起的基礎(chǔ)各自由度上的偏移量最大?？v蕩運(yùn)動(dòng)偏移量隨著波浪荷載的增加較均勻地增長(zhǎng)，垂蕩偏移量的增長(zhǎng)速度隨著波浪荷載的增加逐漸加快。在海況1～9中，縱搖瞬間最大偏移基本保持一致，為6.4 m、6.5 m，這可能是因?yàn)樵诤奢d增加到一定程度前，固定壓載產(chǎn)生的回復(fù)力能有效保證基礎(chǔ)穩(wěn)定性，減小基礎(chǔ)搖晃，使得縱搖最大偏移量基本保持不變。

取海況1與海況10進(jìn)行比較，縱蕩、垂蕩和縱搖穩(wěn)定偏移量增率(即海況10與海況1穩(wěn)定偏移量之差/海況10穩(wěn)定偏移量)分別為0.450、0.734、0.275，由此可見波浪荷載對(duì)基礎(chǔ)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最明顯，對(duì)縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最弱，這可能是隨著波高的增大，海水表面起伏較大，基礎(chǔ)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大。

3.1.1波浪波高對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

考慮相同波周期，相同波浪入射角，不同波高的波浪對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。選取表2中周期為13.4 s的五組(海況4、5、7、8、9)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到波高與基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)偏移量曲線。

圖3是不同波高下基礎(chǔ)在縱蕩、垂蕩、縱搖上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。由圖3(1)可知：基礎(chǔ)的縱蕩穩(wěn)定偏移量隨波高的增大而增大，且基本呈線性關(guān)系，最大偏移量隨著波高的增大而增速漸緩。由圖3(2)可知：基礎(chǔ)的垂蕩穩(wěn)定偏移量和最大偏移量都隨波高的增大而增大，且兩者增幅一致。由圖3(3)可知：基礎(chǔ)的縱搖穩(wěn)定偏移量和最大偏移量隨波高的增加有小幅增大，但增幅平緩，較縱蕩和垂蕩小?？梢姴ǜ邔?duì)基礎(chǔ)縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)比縱搖大。這可能是由于波高的增加主要為波幅在垂直方向的增加，所以其對(duì)基礎(chǔ)的縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)顯著，而對(duì)基礎(chǔ)偏轉(zhuǎn)角度的影響較小。

圖3　不同波高下基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

3.1.2波浪入射角對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

由于常波浪和強(qiáng)波浪對(duì)基礎(chǔ)不同位置作用程度不同，以任一錨鏈在水平面的投影為參考坐標(biāo)，采用表2中海況6的波浪荷載。選取入射角分別為0°、30°、60°和90°的波浪作用在基礎(chǔ)上，分析在三個(gè)自由度上基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

圖4～圖6分別是波浪以四個(gè)不同入射角作用下基礎(chǔ)在縱蕩、垂蕩、縱搖方向上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

由圖4可知：在入射角為0°、30°、60°、90°情況下，基礎(chǔ)縱蕩穩(wěn)定后偏移量分別為3.3 m、2.8 m、2.5 m、3.0 m，基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著波浪入射角的增大先減小后增大，并在60°附近達(dá)到極小值。由圖5可知：當(dāng)入射角由小到大時(shí)，基礎(chǔ)垂蕩穩(wěn)定后偏移量分別為1.43 m、1.15 m、1.11 m、1.30 m，基礎(chǔ)垂蕩偏移量在30°和60°時(shí)都很小，可推測(cè)在30°～60°之間有基礎(chǔ)垂蕩偏移量的極小值。由圖6可知：當(dāng)入射角由小到大時(shí)，基礎(chǔ)縱搖穩(wěn)定后偏移量分別為5.9°、4.8°、5.1°、5.5°，縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨入射角的增大先減小后增大。綜上所述，基礎(chǔ)在60°時(shí)縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最小，在30°時(shí)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最小?；A(chǔ)縱蕩與縱搖穩(wěn)定后的偏移量在不同入射角下均相差較大，可見縱蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)受波浪入射角的影響明顯。

圖4　不同入射角下基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖5　不同入射角下基礎(chǔ)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖6　不同入射角下基礎(chǔ)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

3.2Spar基礎(chǔ)波流耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

對(duì)海況3、6、9所示的波流荷載組合作用下基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)偏移和單錨緊張力進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4　波流荷載作用下基礎(chǔ)響應(yīng)

由表4可知：在海況3與海況9下，基礎(chǔ)縱蕩、垂蕩和縱搖穩(wěn)定偏移量增率為0.289、0.596、0.130，瞬時(shí)最大偏移量增率分別為0.143、0.531、0.03，隨著荷載的增大，基礎(chǔ)三個(gè)自由度上偏移量均有增加，但是波流耦合作用對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更為明顯。

對(duì)比表3、表4中設(shè)計(jì)海況3、6、9荷載作用下的基礎(chǔ)響應(yīng)可知：波流耦合作用下與波浪單獨(dú)作用下縱蕩穩(wěn)定和瞬時(shí)最大偏移量均未發(fā)生變化，說明波流耦合對(duì)基礎(chǔ)縱蕩運(yùn)動(dòng)的影響與波浪單獨(dú)作用時(shí)相差不大。而波流耦合與波浪作用下的垂蕩瞬時(shí)最大偏移的差值隨著荷載的增大而增幅較小。波流荷載對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)影響較小，甚至在設(shè)計(jì)海況6下，縱搖穩(wěn)定偏移量較波浪荷載單獨(dú)作用時(shí)更小，這可能是波流耦合作用改變了波浪荷載周期，在這個(gè)新周期下基礎(chǔ)的縱搖自由運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子(RAO)減小。

3.3Spar基礎(chǔ)風(fēng)浪流聯(lián)合作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

為研究Spar基礎(chǔ)在真實(shí)海況下的運(yùn)動(dòng)特性，要研究基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。采用表2所示的風(fēng)、浪、流荷載參數(shù)，對(duì)荷載聯(lián)合作用下基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)偏移和單錨緊張力進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

由表5可知：比較海況1和10，縱蕩、垂蕩和縱搖穩(wěn)定偏移量增率分別為0.429、0.726、0.268，瞬時(shí)最大偏移量增率分別為0.156、0.708、0.241。由此可知，在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，垂蕩偏移量增幅較縱蕩和縱搖的更大。荷載較小時(shí)，縱蕩瞬間最大偏移量的增長(zhǎng)速度比穩(wěn)定偏移量??；對(duì)于垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)，兩者增長(zhǎng)速度比較接近。隨著荷載的增大，垂蕩偏移量逐漸增大，但主要在海況6之后較明顯，而在某些荷載作用下反而減小(如海況7)。這可能是因?yàn)轱L(fēng)浪流聯(lián)合作用下改變了原有的波浪荷載周期，在新周期下，幅值響應(yīng)算子變小，垂蕩運(yùn)動(dòng)振幅減??；荷載很大時(shí)(如海況11)，垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的增幅尤其明顯，表明風(fēng)浪流聯(lián)合作用在荷載較大時(shí)對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響顯著。隨著荷載的增大，基礎(chǔ)縱搖穩(wěn)定偏移量增幅小，瞬間最大偏移量基本不變，表明風(fēng)浪流聯(lián)合作用下縱搖方向穩(wěn)定性好。另外，錨鏈緊張力也隨荷載的增大而增大，最大值為5 890 kN，而錨鏈斷裂承載力為9 250 kN，故其值均在允許緊張力范圍內(nèi)。

表5　風(fēng)浪流作用下基礎(chǔ)響應(yīng)

對(duì)比表3、表4和表5中設(shè)計(jì)海況3、6、9荷載作用下的基礎(chǔ)響應(yīng)。風(fēng)浪流聯(lián)合作用、波流耦合作用以及波浪單獨(dú)作用下基礎(chǔ)各自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化不大，表明基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受波浪荷載影響最大。

4　結(jié)論

針對(duì)不同海況下基礎(chǔ)在縱蕩，垂蕩和縱搖上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論，為Spar基礎(chǔ)在工程上的應(yīng)用提供參考。

(1) 波浪荷載是基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的主導(dǎo)荷載。波浪荷載作用下，基礎(chǔ)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最為明顯，縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最弱?；A(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨波高的增大而增大，其中縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受波高影響大；不同波浪入射角對(duì)基礎(chǔ)各個(gè)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響不同，縱蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)受波浪入射角的影響明顯。入射角為60°時(shí)，基礎(chǔ)縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最??；入射角為30°時(shí)，基礎(chǔ)的縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最小。

(2) 基礎(chǔ)的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受波流荷載作用變化較明顯，但響應(yīng)程度小于縱蕩運(yùn)動(dòng)。縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪單獨(dú)作用時(shí)相差不大，縱搖瞬間最大偏移量受荷載影響較小，這可能與波流荷載周期的改變有關(guān)。

(3) 風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨荷載的增大而增大，但在荷載較小時(shí)，縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受風(fēng)浪流荷載影響較小。

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Study on Motion Response of Spar Foundation Based on AWQA

(1.College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering Hehai University, Nanjing 210098, China;2.Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd, Shanghai 200434, China)

The motion response of Spar offshore wind turbine under environmental loads was studied. A model of the Spar floating foundation was established by ANSYS. And then, with AWQA, time domain analysis of motion response under environmental loads were carried out. According to the analysis, some results were obtained, including the time domain curve for motion response of floating foundation under wave load, wave-current coupling load and joint action of wind, current and wave. The research shows that wave load is the leading factor on motion response of floating foundation. It also shows that wave height has great impact on motion response of surge and heave, while incident angle of wave has obvious influence on surge and pitch motion response. It provides a reference for site selection under specific environmental conditions and the application of Spar floating foundation.

Spar offshore wind turbine; time domain; motion responses; AQWA

2015-01-25

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(14ZR1427500)，上海市科委科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(13dz1202204)。

呂慧(1992-)，女，碩士研究生。

1001-4500(2016)04-0073-07

P751

A