文 | 季曉強(qiáng)，王健，高宏飆，唐永衛(wèi)，王濱

近年來，隨著海上風(fēng)力發(fā)電在新能源領(lǐng)域中的技術(shù)日漸成熟，海上風(fēng)電機(jī)組的容量不斷增大，風(fēng)電機(jī)組的尺寸和重量也都大幅度增加，對(duì)于其支撐結(jié)構(gòu)——海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的要求也在不斷提高。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命服役期內(nèi)，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)長期處于復(fù)雜而惡劣的海洋環(huán)境中，遭受來自上部風(fēng)電機(jī)組和海洋環(huán)境引起的交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可達(dá)109之多，結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是管節(jié)點(diǎn)部位易受到疲勞破壞的影響。因此，為保證海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)典型管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞研究。目前對(duì)于風(fēng)電機(jī)組上部荷載和波浪荷載聯(lián)合作用下典型管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷，一般先計(jì)算單獨(dú)載荷作用下的疲勞損傷，然后采用簡單相加法、等幅荷載法和直接公式法等方法進(jìn)行組合計(jì)算，三種分析方法各有局限性，因此，需要根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況選擇合適的方法進(jìn)行疲勞分析。

本文以江蘇某實(shí)際海上風(fēng)電項(xiàng)目為背景，三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)為研究對(duì)象，結(jié)合該海域環(huán)境特點(diǎn)，分析了風(fēng)電機(jī)組上部荷載或波浪荷載單獨(dú)作用以及聯(lián)合作用下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)典型管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷，給出了分析流程和三種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，最終得到適合該項(xiàng)目的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法。本文研究旨在為我國海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析提供參考，以及為保障海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的長期安全服役提供技術(shù)支撐。

聯(lián)合作用下的疲勞損傷理論

本文研究對(duì)象為某實(shí)際3.6MW風(fēng)電機(jī)組，葉片風(fēng)輪直徑122.9m，輪轂高度90m，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)為三樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式。在陸上風(fēng)電機(jī)組疲勞分析中，通常僅考慮風(fēng)電機(jī)組荷載對(duì)結(jié)構(gòu)影響；但對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組，還需考慮海洋環(huán)境荷載，否則結(jié)構(gòu)將存在較大誤差。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)承受的風(fēng)電機(jī)組荷載與波浪荷載在時(shí)間和空間上都具有多變性，風(fēng)電機(jī)組荷載引起的疲勞損傷由確定性方法計(jì)算，波浪荷載引起的疲勞損傷通過譜分析方法得到；如將兩種荷載引起的疲勞損傷進(jìn)行簡單組合，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。最理想的方法是能夠得到結(jié)構(gòu)在聯(lián)合作用下的真實(shí)響應(yīng)，由響應(yīng)值計(jì)算結(jié)構(gòu)的總損傷，但這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段是無法完成的，在結(jié)構(gòu)運(yùn)行階段也因存儲(chǔ)量過大、傳感器耐久性等原因而難以實(shí)現(xiàn)。本文采用簡單相加法、等幅荷載法和直接公式法開展海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷對(duì)比評(píng)估，以期為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

一、簡單相加法

計(jì)算不同荷載單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞損傷，取二者損傷之和作為聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)總損傷。該方法操作簡單，具有一定的參考價(jià)值，但理論上存在缺陷，計(jì)算結(jié)果較真實(shí)結(jié)果偏小，易造成安全隱患。

二、等幅荷載法

對(duì)兩種荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力幅值進(jìn)行疊加，根據(jù)疊加后的應(yīng)力幅值計(jì)算總疲勞損傷，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，D為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞時(shí)總損傷量；A、m為所用S-N曲線的兩個(gè)參數(shù)；ni為結(jié)構(gòu)在應(yīng)力范圍Si交變應(yīng)力作用下實(shí)際循環(huán)次數(shù)；Si為第i個(gè)荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍幅值。

式中，D1為高頻響應(yīng)的疲勞損傷；D2為低頻響應(yīng)的疲勞損傷；v1為高頻響應(yīng)的平均跨零率；v2為低頻響應(yīng)的平均跨零率。

等幅荷載法適用于確定性荷載引起的疲勞損傷分析，且計(jì)算結(jié)果較真實(shí)結(jié)果偏大，偏于保守。本文將波浪荷載引起的疲勞損傷轉(zhuǎn)化為確定性等效波浪荷載引起的疲勞損傷，等效波浪荷載的周期采用波浪長期分布的平均周期，將波浪等效荷載與塔筒底部等效風(fēng)電機(jī)組荷載進(jìn)行聯(lián)合作用分析。

三、直接公式法

采用窄帶高斯響應(yīng)過程疲勞損傷計(jì)算公式進(jìn)行總疲勞損傷計(jì)算：

式中，Dz為聯(lián)合響應(yīng)的疲勞損傷。

直接公式法適用于窄帶隨機(jī)荷載聯(lián)合作用引起的疲勞損傷分析，計(jì)算中將隨機(jī)荷載分布等效成高斯分布。由于風(fēng)荷載長期分布服從威布爾分布，其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)結(jié)果雖存在偏差，但偏差不大。因此，本文將塔筒底部等效風(fēng)電機(jī)組荷載轉(zhuǎn)化為服從高斯分布的塔筒底部隨機(jī)荷載，結(jié)合波浪隨機(jī)荷載進(jìn)行聯(lián)合作用分析。

典型管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷分析

一、分析流程

本文用確定性方法分析風(fēng)電機(jī)組上部等效荷載引起的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷，用譜分析方法分析由波浪荷載引起的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷，并計(jì)算上部等效荷載與波浪荷載聯(lián)合作用下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷，流程圖如圖1所示。

二、建立有限元模型

風(fēng)電機(jī)組三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件連接處是應(yīng)力集中區(qū)域，本文將上斜撐與主筒體交接處、斜撐與樁套管連接處、水平撐與主筒體連接處設(shè)置為熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)注位置，如圖2所示，其熱點(diǎn)應(yīng)力采用應(yīng)力集中系數(shù)SCF和名義應(yīng)力的乘積來計(jì)算，應(yīng)力集中系數(shù)根據(jù)Efthymiou公式計(jì)算得到，并參照DNV規(guī)范設(shè)置最小應(yīng)力集中系數(shù)為1.5。

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在服役期間，表面通常會(huì)有海洋生物附著，影響風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布與受力，本文基于DNV規(guī)范確定海生物附著的厚度、密度和糙率等參數(shù)。

風(fēng)電機(jī)組上部荷載或波浪荷載單獨(dú)作用引起的疲勞損傷

一、 風(fēng)電機(jī)組上部荷載引起的疲勞損傷

風(fēng)電機(jī)組上部結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載及內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)等多方面聯(lián)合作用，傳遞至基礎(chǔ)法蘭面處的應(yīng)力歷時(shí)過程相當(dāng)復(fù)雜，在本文中，風(fēng)電機(jī)組上部荷載主要以塔筒底部等效荷載為主，通過雨流計(jì)數(shù)法將基礎(chǔ)法蘭面處荷載等效成多級(jí)交變荷載，每一級(jí)荷載可用正弦荷載等效，等效周期為荷載歷時(shí)過程的平均周期。

圖1 風(fēng)電機(jī)組疲勞分析流程圖

圖2 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)域示意圖

圖3 年疲勞損傷值時(shí)間變化曲線（風(fēng)電機(jī)組上部荷載引起）

基于風(fēng)電機(jī)組塔筒底部各級(jí)等效荷載，采用S-N曲線和Miner線性累積疲勞損傷準(zhǔn)則，并考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)腐蝕狀況，計(jì)算得到熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)注位置處塔筒底部等效荷載引起的疲勞損傷平均期望隨時(shí)間變化情況。由圖3可見，②位置疲勞損傷最為嚴(yán)重，①位置疲勞損傷次之，③位置疲勞損傷最輕；同一位置處年疲勞損傷值隨腐蝕程度加劇呈現(xiàn)非線性增加變化趨勢(shì)，抗疲勞性能下降。

二、波浪荷載引發(fā)的疲勞損傷

波浪主要是由風(fēng)作用引起的，具有時(shí)間和空間的隨機(jī)性。為了研究過程中描述方便，一般采用波浪譜形式，波浪譜主要有JONSWAP譜、P-M譜、布氏譜等，本文基于DNVGL規(guī)范采用JONSWAP譜。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由波浪荷載產(chǎn)生的疲勞損傷是長期歷時(shí)產(chǎn)生的損傷，故采用波浪的長期分布。在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)對(duì)疲勞損傷產(chǎn)生貢獻(xiàn)的主要是出現(xiàn)頻率高的波浪，本次計(jì)算根據(jù)工程場區(qū)所在海域的年統(tǒng)計(jì)波浪要素，得到如圖4和圖5的JONSWAP譜，由圖可知，各海況波浪能量主要集中在角頻率0.6～9.15rad/s范圍內(nèi)。

波浪荷載導(dǎo)致的典型管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷采用譜分析法，通過ASAS軟件進(jìn)行計(jì)算，分析中根據(jù)DNV規(guī)范考慮疲勞修正，并依據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)腐蝕情況，得出波浪荷載引起的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)位置疲勞損傷平均期望隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果見圖6。

由圖6可知，②位置疲勞損傷最為嚴(yán)重，③位置疲勞損傷次之，①位置疲勞損傷最輕；同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加劇而增加，抗疲勞性能下降。

三、 聯(lián)合作用下風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的疲勞損傷

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營過程中受到風(fēng)電機(jī)組上部荷載和波浪荷載的聯(lián)合作用，其疲勞損傷亦是塔筒底部等效荷載和波浪荷載聯(lián)合作用的結(jié)果；在已知塔筒底部等效荷載和波浪荷載引起的疲勞損傷的基礎(chǔ)上，采用簡單相加法、等幅荷載法、直接公式法，對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行聯(lián)合荷載作用下的疲勞損傷分析，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7所示。

由圖7可見，無論是哪種組合方法，②位置疲勞損傷最為嚴(yán)重，①、③位置疲勞損傷相差不大；同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加劇而增加，抗疲勞性能下降；等幅疊加法的計(jì)算結(jié)果最大、直接公式法次之、簡單相加法最小。

簡單相加法忽略了荷載時(shí)間上的同步性，僅將各荷載引起的損傷簡單相加，計(jì)算結(jié)果較小，易造成抗疲勞性能的高估；等幅疊加法忽略了聯(lián)合荷載作用下應(yīng)力過程的復(fù)雜性，僅單純對(duì)應(yīng)力幅值進(jìn)行疊加，忽略了荷載周期和相位的影響，計(jì)算結(jié)果較大，易造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)；直接公式法從譜分析入手疊加應(yīng)力譜，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)總疲勞損傷，理論上計(jì)算結(jié)果更為精確，偏差僅取決于實(shí)際應(yīng)力分布與高斯分布的差別。本工程風(fēng)電機(jī)組荷載和波浪荷載的本質(zhì)均為隨機(jī)荷載，引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與高斯分布相差不大，因此直接公式法的計(jì)算結(jié)果更為合適。

圖4 Hs=0.7m、Tz=1.55s時(shí)的JONSWAP譜

圖5 Hs=0.7m、Tz=4.55s時(shí)的JONSWAP譜

圖6 年疲勞損傷值時(shí)間變化曲線（波浪荷載引起）

由圖7還可以看出，對(duì)于直接公式法，疲勞損傷最為嚴(yán)重的②位置在聯(lián)合荷載作用下受海洋腐蝕影響較為明顯，年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加深而加劇，管節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能隨之降低；通過上述疲勞損傷歷時(shí)曲線，可以預(yù)測出其疲勞壽命為27.1年，超過風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)壽命25年，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 聯(lián)合作用下年疲勞損傷值時(shí)間變化曲線

攝影：李新星

結(jié)論

本文以江蘇海域某實(shí)際海上風(fēng)電項(xiàng)目三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)為例開展疲勞分析方法研究，在計(jì)算得到風(fēng)電機(jī)組上部荷載及波浪荷載單獨(dú)作用下的年疲勞損傷值的基礎(chǔ)上，研究不同組合方法對(duì)聯(lián)合荷載作用下年疲勞損傷值的影響，并得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)電機(jī)組上部荷載或波浪荷載單獨(dú)作用及兩者聯(lián)合作用下，均為樁套管與撐桿連接處的疲勞損傷最嚴(yán)重。

（2）風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷受海洋腐蝕影響較為明顯，同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加深而加劇，管節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能隨之降低。

（3）對(duì)于本示例海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析，直接公式法的計(jì)算結(jié)果更為合適，計(jì)算得到本示例海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞壽命為27.1年，超過設(shè)計(jì)壽命期25年，滿足設(shè)計(jì)要求。