收稿日期：2021-08-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51976131；52006148；52106262）；上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目（19060502200）

通信作者：李 春（1963—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械及工程、風(fēng)能高效轉(zhuǎn)換與應(yīng)用及葉輪機(jī)械氣動(dòng)力學(xué)方面的研究。

lichun_usst@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0994 文章編號：0254-0096（2023）05-0320-08

摘 要：為避免船舶-風(fēng)力機(jī)碰撞造成巨大損失，提升海上風(fēng)力機(jī)防護(hù)裝置抗撞性能，將笛卡爾分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橡膠及泡沫鋁材料設(shè)計(jì)防護(hù)裝置，基于非線性動(dòng)力學(xué)理論，采用ANSYS/LS-DYNA模擬5000 t船舶碰撞安裝分形結(jié)構(gòu)橡膠、泡沫鋁防護(hù)裝置4 MW單立柱三樁海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)過程，對比分析研究不同材料防護(hù)裝置采用分形結(jié)構(gòu)后防護(hù)性能優(yōu)劣。結(jié)果表明：較橡膠材料，泡沫鋁防護(hù)裝置吸能效果更好，顯著提升防護(hù)裝置能量耗散能力；分形結(jié)構(gòu)作用于不同材料具有不同表現(xiàn)，應(yīng)用于泡沫鋁材料降低接觸力效果更顯著，而應(yīng)用于橡膠在提升耗能、降低塔頂響應(yīng)方面表現(xiàn)更佳。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；風(fēng)力機(jī)；分形；碰撞；橡膠；泡沫鋁；防護(hù)裝置

中圖分類號：TK513.5" " " nbsp; " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著碳中和碳達(dá)峰“雙碳”目標(biāo)的提出，海上風(fēng)能因其具備湍流度低、風(fēng)速高的優(yōu)勢，已成為今后風(fēng)電發(fā)展的主要方向。截至2021年4月，中國海上風(fēng)電裝機(jī)并網(wǎng)容量高達(dá)1042萬kW，年平均利用小時(shí)數(shù)約2500 h，較陸上風(fēng)電高約500 h［1-3］。由于運(yùn)輸、裝機(jī)、并網(wǎng)及維修等需求，海上風(fēng)力機(jī)多處于繁忙航道，風(fēng)力機(jī)-船舶碰撞概率大幅提升，2020年海上風(fēng)電-船舶安全事故高達(dá)232起，其中24%為高風(fēng)險(xiǎn)潛在事故，極易造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡［4-5］。為此，許多學(xué)者針對船舶碰撞海上結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究。賈海坤等［6］模擬4 MW海上風(fēng)力機(jī)受維修駁船低能碰撞過程，與實(shí)驗(yàn)測得正常工作下載荷對比發(fā)現(xiàn)，船舶碰撞引起風(fēng)力機(jī)塔架等部分結(jié)構(gòu)載荷大幅提升。Kitamura［7］通過有限元分析研究船舶碰撞事故中不同厚度橡膠防護(hù)裝置的防護(hù)性能。Bela等［8］研究單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)受船舶沖擊時(shí)的壓潰行為及機(jī)艙響應(yīng)，結(jié)果表明：未施加防護(hù)的風(fēng)力機(jī)在低速碰撞下亦會產(chǎn)生損壞甚至坍塌的后果。Moulas等［9］模擬4000 t船舶碰撞單樁及導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)力機(jī)，計(jì)算表明：影響船舶碰撞單樁基礎(chǔ)的最關(guān)鍵因素為碰撞能量、船舶及碰撞面積；影響導(dǎo)管架基礎(chǔ)的關(guān)鍵因素為碰撞區(qū)域與船速。文獻(xiàn)［10］參考海工防護(hù)裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出一種鋼-泡沫鋁-橡膠多層材料單立柱三樁基礎(chǔ)防護(hù)裝置并研究其抗撞性，證明多層不同材料結(jié)合可有效改善防護(hù)性。任年鑫等［11］設(shè)計(jì)一種包含球殼及泡沫鋁環(huán)形墊的風(fēng)力機(jī)防護(hù)裝置，數(shù)值模擬表明塔頂動(dòng)力響應(yīng)及接觸力顯著降低。

目前研究多針對單一傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)及材料，不同結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)裝置性能及影響研究仍存在空白。近年來分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用逐漸引起學(xué)者們的關(guān)注。張勇等［12］通過迭代構(gòu)造兩種階數(shù)分形自相似正六邊形層次蜂巢，基于該結(jié)構(gòu)所開展飛機(jī)外壁耐撞性研究表明：分形結(jié)構(gòu)可顯著提高吸能能力，且抗面外破碎能力更強(qiáng)。王晉等［13］基于Koch Fractal提出一種分形抗壓薄壁，研究分形階數(shù)和壁厚對碰撞性能的影響，結(jié)果表明：基于Koch Fractal截面的薄壁結(jié)構(gòu)可顯著提升抗撞性。

上述研究已展示了分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于防撞領(lǐng)域的可行性與潛力，或可進(jìn)一步提升現(xiàn)有海上風(fēng)力機(jī)防護(hù)裝置耗散能量、降低接觸力的能力。因此，本文基于文獻(xiàn)［14］，由分形理論提出笛卡爾分形結(jié)構(gòu)，研究分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橡膠與泡沫鋁材料時(shí)防護(hù)性能，采用ANSYS/LS-DYNA分析零至三階分形橡膠與泡沫鋁防護(hù)裝置抗撞性能，以期為海上風(fēng)力機(jī)安全防護(hù)裝置設(shè)計(jì)及選擇提供參考。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 碰撞控制方程

船舶碰撞海上風(fēng)力機(jī)為復(fù)雜的瞬態(tài)物理過程，屬非線性動(dòng)力問題，碰撞運(yùn)動(dòng)顯式運(yùn)動(dòng)微分方程［15］為：

[Man′+Cvn′+Kdn=Fextn] （1）

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；[a′]——加速度；[n]——時(shí)間步數(shù)；[C]——阻尼矩陣；[v′]——速度；[K]——?jiǎng)偠染仃?；[d]——位移；[Fextn]——外加載荷陣列。

LS-DYNA采用顯示中心差分法求解碰撞問題，無需進(jìn)行聯(lián)立方程組與矩陣求逆，可有效避免因非線性導(dǎo)致的收斂性問題。

1.2 材料本構(gòu)模型

1.2.1 鋼本構(gòu)模型

為模擬風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)受船舶碰撞時(shí)合金鋼材料性質(zhì)，考慮材料應(yīng)變速率對屈服強(qiáng)度的影響，采用Cowper-Symonds鋼本構(gòu)模型［16］：

[σy=1+（ε/R）1Pσ0+βEPεPeff] （2）

式中：[σy]——極限屈服應(yīng)力；[ε]——應(yīng)變率；[R]、[P]——與材料性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)，一般鋼材[R=40.5，P=5]；[σ0]——初始屈服應(yīng)力；[β]——強(qiáng)化模型，[β]=0與1對應(yīng)塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型與等向強(qiáng)化模型；[EP]——塑性強(qiáng)化模量；[εPeff]——等效塑性應(yīng)變率。

Q235及Q345鋼物性參數(shù)見表1。

1.2.2 橡膠本構(gòu)模型

橡膠材料Mooney-Rivlin本構(gòu)模型具有較優(yōu)的超彈性特性，其分解應(yīng)變能函數(shù)［17］為：

[W=f（I1-3，I2-3）+g（J-1）] （3）

式中：[W]——應(yīng)變能密度；[J]——橡膠超彈性變形前、后體積比。

[I1]、[I2]如式（4）、式（5）所示：

[I1=λ21+λ22+λ23=trB] （4）

[I2=λ21λ22+λ22λ23+λ21λ23=1/2[（trB）2-tr（B）2]] （5）

式中：[Ii]——變形張量的第[i]不變量（i=1，2）；[λi]——伸長比（[i=1，]2，3）；[tr]——求跡算子；[B]——伸長比距陣。

令[g=i+j=1N1/D[（J-1）2i]]，由一階泰勒展開式：

[W=C10I1-3+C01I2-3+（1/D）J-12] （6）

式中：[C10]、[C01]——常數(shù)。

[Di]值決定材料能否壓縮，Mooney-Rivlin材料參數(shù)見表2［18］。

1.2.3 泡沫鋁本構(gòu)模型

泡沫鋁材料結(jié)構(gòu)疏松多孔，受壓坍塌將產(chǎn)生體積變化，Deshpande等［19］由連續(xù)各項(xiàng)同性建立本構(gòu)模型，定義屈服函數(shù)[Φ]為：

[Φ=σ-Y" "=（σ2e+α2σ2m）1+α32-σp+γεεD+α2ln1/1-εεDβ≤0] （7）

式中：[σ]——等效應(yīng)力；[Y]——屈服應(yīng)力；[σe]——Von Mises等效應(yīng)力；[α]——可定義屈服平臺形狀；[σm]——平均應(yīng)力；[σp]、[α2]、[β]、[γ]——材料參數(shù)；[ε]——等效應(yīng)變；[εD]——壓實(shí)應(yīng)變。

表3為Deshpande-Fleck本構(gòu)參數(shù)［19］，其中[γ]為屈服應(yīng)力。

表3 Deshpande-Fleck本構(gòu)模型參數(shù)

Table 3 Material parameters of Deshpande-Fleck

[參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 [σpl]/MPa 0.6 [υ] 0.3 [ρ]/（kg/m3） 178 [E]/MPa 370 [γ]/MPa 3.23 [β] 4.23 [εD] 1.8 [α] 2.119 [α2]/MPa 6.2 體積應(yīng)變 0.01 ]

1.3 接觸算法

LS-DYNA模擬碰撞中主要涉及分配參數(shù)法、節(jié)點(diǎn)約束法及對稱罰函數(shù)法［20］。

碰撞中接觸摩擦力為：

[F=μfs] （8）

式中：[fs]——節(jié)點(diǎn)所受法向接觸力。

摩擦系數(shù)[μ]為：

[μ=μd+（μs-μd）e-dv] （9）

式中：[μd]——?jiǎng)幽Σ料禂?shù)；[μs]——靜摩擦系數(shù)；[d]——衰減系數(shù)；[v]——接觸面間相對速度。

2 分形結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)

2.1 笛卡爾分形圓設(shè)計(jì)

分形為各組成部分與整體相似的集合，其在歐氏空間中Hausdorff維數(shù)始終大于拓?fù)渚S數(shù)，分形基本性質(zhì)［21］為：

1）分形結(jié)構(gòu)局部與整體相似的自相似性；

2）分形結(jié)構(gòu)任一區(qū)域形態(tài)、不規(guī)則性、復(fù)雜程度等特性與整體一致的無標(biāo)度性；

3）分形結(jié)構(gòu)局部到整體各方向變化率不完全相同的自仿射性。

嚴(yán)格符合定義的分形目前僅存在于理論，應(yīng)用研究中分形結(jié)構(gòu)通常由近似取得。岳新智等［14］由笛卡爾相切圓定理，通過已知半徑分別為[rai]、[rbi]、[rci]這3個(gè)相切圓，求得第4個(gè)相切圓半徑，進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)不同階次的笛卡爾分形圓，相切圓曲率半徑關(guān)系為：

[（ai+bi+ci+di）2=2×（a2i+b2i+c2i+d2i）] （10）

式中：[ai]、[bi]、[ci]、[di]——4個(gè)相切圓曲率，[ai=1/rai，][bi=1/rbi，][ci=1/rci，][di=1/rdi，][rai]、[rbi]、[rci]、[rdi]分別為4個(gè)相切圓半徑；[i]——迭代次數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用中由于各種條件限制無法實(shí)現(xiàn)無限迭代，笛卡爾分形圓見圖1。

2.2 防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

防護(hù)裝置由內(nèi)部厚1.4 m的主體防護(hù)材料與厚0.05 m的外側(cè)鋼殼構(gòu)成，內(nèi)徑、外徑分別為5.0與7.9 m，高度為7.5 m。經(jīng)3次迭代，圖1中對應(yīng)分形孔尺寸分別為：[rai=0.625" m，][rbi=rci=rdi=0.250" "m，][re2-1=0.125" "m，][re2-2=0.030" "m，][rf3-1=0.060" m，][rf3-2=0.025" m，][rf3-3=0.010" "m]。

為探究分形結(jié)構(gòu)對橡膠及泡沫鋁材料防護(hù)裝置防護(hù)性能的影響，于防護(hù)裝置正撞方向設(shè)置不同階數(shù)分形孔，圖2為不同階數(shù)分形防護(hù)裝置。

3 有限元模型

3.1 防護(hù)裝置

對防護(hù)裝置進(jìn)行有限元模型建立，防護(hù)裝置外殼與主體材料網(wǎng)格尺寸為0.2 m，具備分形結(jié)構(gòu)的防護(hù)裝置采用多域分區(qū)法對分形孔所在區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，由于分形階數(shù)影響結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，將1～3階分形區(qū)域網(wǎng)格尺寸分別定為0.08、0.05、0.04 m，防護(hù)裝置有限元模型見圖3。

3.2 單立柱三樁基礎(chǔ)

海上風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架與基礎(chǔ)構(gòu)成，4 MW固定式單立柱三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由鋼管柱、橫撐、斜撐及立柱構(gòu)成，樁體埋入海底50 m下，樁尖深入粉細(xì)砂層中，樁頂位于平均海平面下方15 m［22］，單立柱三樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4［23］。對單立柱三樁基礎(chǔ)建立有限元模型，樁柱網(wǎng)格尺寸為0.6 m，橫撐、斜撐及塔架非受撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.4 m，受撞區(qū)域網(wǎng)格加密為0.2 m，有限元模型見圖4。

3.3 船 舶

依據(jù)近海船舶使用情況建立有限元模型，船艏為前傾型。船舶設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。船舶有限元模型見圖5，主要碰撞區(qū)域船艏網(wǎng)格局部加密為0.2 m，船體與船尾網(wǎng)格尺寸為0.6 m。船舶與風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)設(shè)置間距為0.6 m，避免初始接觸影響計(jì)算結(jié)果，依據(jù)依據(jù)DNV-OS-A 101［24］設(shè)置初始速度為2 m/s，船舶初始動(dòng)能為10 MJ。

3.4 碰撞模型設(shè)置

文獻(xiàn)［25］研究船舶以不同方向、情況撞擊風(fēng)力機(jī)，結(jié)果表明：較側(cè)撞方向、漂移碰撞等方向，船舶正向撞擊風(fēng)力機(jī)將造成更大損傷，故設(shè)置船舶正向撞擊風(fēng)力機(jī)。為確保模擬碰撞中能量變化的準(zhǔn)確性，除內(nèi)能、動(dòng)能，將阻尼能、沙漏能及滑移能也計(jì)于能量平衡中?？紤]碰撞接觸對象與接觸面積，船舶與防護(hù)裝置采用AUTOMATIC SINGLE SURFACE接觸算法，防護(hù)裝置與單立柱三樁基礎(chǔ)間、防護(hù)裝置鋼殼與主體材料間均使用AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE接觸算法。船舶與防護(hù)裝置間摩擦系數(shù)為0.2，防護(hù)裝置與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)為0.9，衰減系數(shù)d均為0。船舶與風(fēng)力機(jī)碰撞事故模擬中，海水作用亦會產(chǎn)生影響，本文據(jù)文獻(xiàn)［26］采用附加質(zhì)量法簡化模擬海水作用，附加質(zhì)量系數(shù)為5%。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 模擬可靠性

LS-DYNA模擬碰撞過程中單元通常會由于集中載荷產(chǎn)生沙漏［27］，沙漏易導(dǎo)致網(wǎng)格變形為鋸齒狀，結(jié)構(gòu)響應(yīng)周期大幅縮短，干擾計(jì)算過程。為避免沙漏作用影響結(jié)果準(zhǔn)確性，要求沙漏能占比低于總能的5%。圖6為模擬零至三階橡膠及泡沫鋁分形防護(hù)裝置沙漏能占比，最大值均低于5%，計(jì)算結(jié)果滿足要求。

4.2 接觸力分析

船舶碰撞海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，接觸力一定程度可反映裝置防護(hù)性能，不同防護(hù)裝置作用下接觸力將發(fā)生變化，圖7為零階實(shí)心及1～3階分形橡膠材料防護(hù)裝置保護(hù)下風(fēng)力機(jī)接觸力曲線。基礎(chǔ)初始接觸力為零，隨碰撞發(fā)生接觸力曲線迅速增至最高值，撞深達(dá)最深處后曲線逐漸下降結(jié)束碰撞。0～3階共4種防護(hù)裝置保護(hù)下接觸力最大值分別為23.95、23.00、23.73及23.07 MN，1～3階分形結(jié)構(gòu)分別可使接觸力下降3.94%、0.88%及3.64%。此外由圖7可知，實(shí)心防護(hù)裝置接觸力增速較快，隨著撞深的增加接觸力增速降低，至0.90 s達(dá)峰值，隨后于1.35 s降至零，而1～3階分形防護(hù)裝置接觸力曲線增速較低，0.96 s達(dá)峰值后于1.51 s降至零。在分形結(jié)構(gòu)壓潰塌陷及其內(nèi)部各部分間相互作用下，橡膠防護(hù)裝置性能提升，碰撞時(shí)間延長15.06%，最大接觸力獲得了不同程度的降低。

圖8為0～3階分形泡沫鋁材料防護(hù)裝置保護(hù)下風(fēng)力機(jī)接觸力曲線。較橡膠材料防護(hù)裝置，泡沫鋁防護(hù)裝置接觸力峰值更低，0～3階接觸力最大值分別為18.14、13.99、14.10、14.12 MN，1～3階分形結(jié)構(gòu)分別使接觸力峰值下降22.89%、22.26%及22.16%，由于材料的壓潰損壞導(dǎo)致接觸力曲線達(dá)峰值后呈現(xiàn)短暫的鋸齒狀波動(dòng)。與橡膠材料類似，泡沫鋁材料采用分形結(jié)構(gòu)時(shí)接觸力增速也有所降低，碰撞時(shí)間延長14.89%，有效降低了平均沖力。

4.3 能量分析

船舶初始動(dòng)能即為系統(tǒng)總能，共10 MJ，碰撞過程中防護(hù)裝置吸能情況可反映其防護(hù)性能，圖9為碰撞過程中橡膠0～3階分形防護(hù)裝置主體橡膠材料及外部鋼殼內(nèi)能變化。外部鋼殼及主體防護(hù)橡膠材料內(nèi)能曲線在碰撞發(fā)生后迅速上升至峰值，0～3階防護(hù)裝置整體內(nèi)能峰值均約為3.20 MJ，但外部鋼殼峰值分別為0.31、0.63、0.58、0.67 MJ，主體橡膠材料內(nèi)能峰值分別為2.89、2.59、2.63、2.54 MJ，在分形孔作用下橡膠材料彈性特性的影響降低，鋼殼可吸收能量的防護(hù)作用大幅提升。分形結(jié)構(gòu)不影響整體內(nèi)能峰值，且可有效提升防護(hù)裝置能量耗散的能力，如圖9所示的內(nèi)能曲線達(dá)峰值后迅速下降至某一低點(diǎn)穩(wěn)定，曲線下降過程即代表內(nèi)能釋放作用于結(jié)構(gòu)模型，下降階段結(jié)束后穩(wěn)定部分即防護(hù)裝置不可恢復(fù)的耗散內(nèi)能。4種裝置耗散內(nèi)能分別為：0.31 MJ（9.79%）、1.09 MJ（34.06%）、0.76 MJ（23.75%）及0.80 MJ（25.00%），3種分形結(jié)構(gòu)對內(nèi)能耗散效果均有提升，其中一階最優(yōu)。

圖10為碰撞過程中0～3階泡沫鋁材料防護(hù)裝置內(nèi)能曲線。較橡膠防護(hù)裝置，泡沫鋁主體材料內(nèi)能曲線峰值更高，4種防護(hù)裝置分別為6.89、6.95、6.89、6.94 MJ，1階、3階分形結(jié)構(gòu)可提升泡沫鋁防護(hù)裝置內(nèi)能吸收能力，但由于材料本身存在多孔疏松的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致提升效果欠佳，內(nèi)能曲線升至高點(diǎn)后維持平穩(wěn)，亦體現(xiàn)該種材料結(jié)構(gòu)塑性變形后顯著的能量耗散能力。

4.4 塔頂響應(yīng)分析

碰撞發(fā)生后風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生縱蕩與橫蕩，塔頂位移在一定程度上亦反映防護(hù)裝置性能。圖11、圖12分別為塔頂沿正撞方向與法向位移曲線。

對于橡膠材料，不具備分形特征與1～3階分形防護(hù)裝置保護(hù)下撞向位移最大絕對值分別為1.53、1.29、1.35、1.34 m，1～3階分形結(jié)構(gòu)分別使撞向最大位移下降15.69%、11.76%與12.41%；法向位移最大絕對值分別為0.2280、0.0901、0.0833、0.1070 m，較實(shí)心防護(hù)裝置，1～3階分形結(jié)構(gòu)最大法向位移分別降低60.48%、63.46%與53.07%。0～3階泡沫鋁防護(hù)裝置保護(hù)下，撞向位移最大絕對值分別為0.90、0.85、0.85、0.86 m，法向位移最大值分別為0.11、0.03、0.05、0.06 m。較

橡膠材料，泡沫鋁防護(hù)裝置降低塔頂動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力更優(yōu)。分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超彈性特性的橡膠材料具有降低塔頂位移的作用，其中一階分形結(jié)構(gòu)效果最佳；但分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于泡沫鋁材料時(shí)，由于材料本身疏松多孔的特性，并未顯著降低撞向位移，僅對法向位移有明顯抑制作用。

5 結(jié) 論

本文將笛卡爾分形圓結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橡膠及泡沫鋁防護(hù)裝置，采用ANSYS/LS-DYNA分析0～3階分形橡膠與泡沫鋁防護(hù)裝置抗撞性能，得出主要結(jié)論如下：

1）較橡膠材料，泡沫鋁材料防護(hù)時(shí)接觸力更低。分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于兩種材料均可起到降低接觸力、延長碰撞時(shí)間的作用，1～3階分形結(jié)構(gòu)使橡膠裝置最大接觸力分別降低3.94%、0.88%及3.64%，泡沫鋁防護(hù)裝置分別降低22.89%、22.26%及22.16%，分形結(jié)構(gòu)用于泡沫鋁材料降低接觸力效果更顯著。

2）較橡膠材料防護(hù)裝置，泡沫鋁材料裝置吸能特性更顯著。分形結(jié)構(gòu)用于橡膠材料裝置可在不影響整體內(nèi)能峰值情況下，有效提升防護(hù)裝置鋼殼與主體材料能量耗散的能力，但用于泡沫鋁裝置時(shí)由于其材料特性提升耗能效果欠佳。

3）分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超彈性特性的橡膠材料具有明顯降低塔頂位移的作用，對于泡沫鋁材料無法顯著降低撞向位移，僅對法向位移有明顯抑制作用。

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STUDY ON PERFORMANCE OF FRACTAL STRUCTURE RUBBER AND

ALUMINUM FOAM PROTECTIVE DEVICE FOR

OFFSHORE WIND TURBINE

Yue Xinzhi1，Han Zhiwei2，Miao Weipao1，Li Chun1，3，Zhao Xinlei1，Yue Minnan1

（1. School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；

2. Shanghai Electric Wind Power Group Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China；

3. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering， Shanghai 200093， China）

Abstract：In order to prevent massive losses caused by collisions between ships and wind turbines， as well as to improve the anti-collision performance of offshore wind turbine protective devices， Cartesian fractal structure was applied to rubber and aluminum foam to design protective devices based on nonlinear dynamics theory. ANSYS/LS-DYNA was used to simulate the installation process of 4 MW single-column three-pile offshore wind turbine foundation with fractal structure rubber and aluminum foam protective devices in 5000 t ship collision. The protective performance of different material protective devices with fractal structure was compared and analyzed. The results show that compared with the rubber material， the aluminum foam protective device has better energy absorption effect and significantly improves the energy dissipation ability of the protective device. The fractal structure has different effects on different materials， and the effect of reducing contact force is more significant when applied to aluminum foam， and the performance of improving energy consumption and reducing the response of tower top is better when applied to rubber.

Keywords：offshore wind power； wind turbines； fractals； collision； rubber； aluminum foam； protective device