收稿日期：2022-08-12

通信作者：曾 斌（1992—），男，碩士、工程師，主要從事海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的研究。zengbin3@cjwsjy.com.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1211 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0367-08

摘 要：疲勞是控制海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全的主要因素之一，針對(duì)海上風(fēng)電全鋼質(zhì)新型筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題展開(kāi)研究，基于隨機(jī)波浪理論與頻譜分析方法，闡述了長(zhǎng)期海況分布下結(jié)構(gòu)交變應(yīng)力服從Rayleigh分布的疲勞損傷累積計(jì)算方法；借助全鋼質(zhì)海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)基于前述理論開(kāi)展了疲勞損傷與壽命計(jì)算，獲得筒型基礎(chǔ)主要的疲勞破壞點(diǎn)集中在斜撐與圓柱體連接的位置，并基于此進(jìn)行了結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化，結(jié)果對(duì)比表明關(guān)鍵部位的幾何優(yōu)化可極大降低應(yīng)力集中程度，減小疲勞累積損傷，同時(shí)也驗(yàn)證了疲勞計(jì)算結(jié)果對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力水平具有高敏感性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；頻譜分析；疲勞損傷；筒型基礎(chǔ)；幾何優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TK89"""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)能尤其是海上風(fēng)能是最具有商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值和前景的新能源之一。根據(jù)最新的中國(guó)海上風(fēng)電資源調(diào)查結(jié)果，中國(guó)水深5～25 m、50 m高度的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)潛力為500 GW，水深5～50 m、70 m高度的海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)潛力為800 GW ，2022年6月，國(guó)家發(fā)改委等九部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》［1］，提出到2025年，可再生能源年發(fā)電量達(dá)到約3.3萬(wàn)億kWh，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量實(shí)現(xiàn)翻倍。其中海上風(fēng)電裝機(jī)預(yù)計(jì)約規(guī)劃3000 萬(wàn)kW，接下來(lái)的5年中國(guó)海上風(fēng)電將迎接更大的發(fā)展機(jī)遇。

風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電的重要組成部分，關(guān)系著海上風(fēng)電機(jī)組的安全與壽命，作為海洋工程結(jié)構(gòu)，其在服役期內(nèi)一直受到波浪的作用，持續(xù)無(wú)序的波浪載荷使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生持續(xù)變化的應(yīng)力，在25年的服務(wù)期內(nèi)，結(jié)構(gòu)因波浪作用產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可達(dá)到108次以上，因而會(huì)造成風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的疲勞破壞，疲勞破壞已成為海上鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)及風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)損壞的主要因素之一。

筒型基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)型式，已逐漸在海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用開(kāi)來(lái)，相比傳統(tǒng)樁式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)具有承載能力強(qiáng)、施工方便、無(wú)需打樁、海上作業(yè)時(shí)間短等一系列優(yōu)勢(shì)，其中全鋼質(zhì)筒型基礎(chǔ)一般由單柱、筒裙、底板、斜撐體系、徑環(huán)向梁體系組成，由于傳力路徑較復(fù)雜、異形結(jié)構(gòu)較多，應(yīng)力集中位置在波浪長(zhǎng)期作用下有破壞風(fēng)險(xiǎn)，疲勞成為全鋼質(zhì)筒型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制工況，這種非常規(guī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的疲勞分析也是難點(diǎn)之一。

劉剛［2］采用三維有限元軟件ABAQUS混凝土損傷塑性模型對(duì)筒型基礎(chǔ)進(jìn)行在疲勞荷載工況下的損傷計(jì)算，并結(jié)合規(guī)范法對(duì)筒型基礎(chǔ)的疲勞性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析；吳永祥等［3］通過(guò)海洋工程設(shè)計(jì)軟件SACS 以及風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算軟件 Bladed 聯(lián)合進(jìn)行疲勞計(jì)算分析，基于Miner 疲勞累積損傷理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算；余建星等［4］ 針對(duì)風(fēng)浪流聯(lián)合作用下張力腿型浮式風(fēng)力機(jī)筋腱的疲勞問(wèn)題，提出一種基于應(yīng)力-壽命（S-N）曲線與斷裂力學(xué)的疲勞評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行時(shí)域耦合分析獲取張力筋腱應(yīng)力時(shí)程，基于裂紋萌生S-N曲線、線性累計(jì)損傷理論評(píng)估裂紋萌生階段壽命；季曉強(qiáng)等［5］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，給出了分析流程與3種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，最終得到適合某項(xiàng)目的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法；李志昊等［6］以超大型DTU 10 MW單樁式近海風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變（p-y）曲線和非線性彈簧建立樁-土耦合模型，選取Kaimal風(fēng)譜模型建立湍流風(fēng)場(chǎng)，基于Pierson-Moskowitz（P-M）譜定義不同頻率波浪分布，并利用輻射/繞射理論計(jì)算波浪載荷，采用有限元方法對(duì)不同海況下單樁式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、疲勞及屈曲分析，表明不同海況波浪載荷作用下塔頂位移響應(yīng)及等效應(yīng)力峰值遠(yuǎn)小于風(fēng)及風(fēng)浪聯(lián)合作用；崔磊等［7］分析用于平臺(tái)疲勞可靠性研究的S-N曲線法和斷裂力學(xué)方法，計(jì)算不同工況下TLP平臺(tái)的應(yīng)力響應(yīng)，確定疲勞關(guān)鍵部位，建立關(guān)鍵部位的中間局部模型和精細(xì)子模型；李煒等［8］區(qū)分疲勞荷載為單級(jí)疲勞荷載和多級(jí)疲勞荷載聯(lián)合作用兩種情況，考慮漸增型、往復(fù)型和正弦波型3種疲勞荷載作用方式，借助三樁導(dǎo)管架式海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，對(duì)疲勞荷載作用的結(jié)構(gòu)疲勞損傷進(jìn)行了計(jì)算；方華燦［9］給出斷裂力學(xué)強(qiáng)度CTOD、KIC以及裂紋擴(kuò)展速率和裂紋尺寸的隨機(jī)性與模糊性的描述方法，并探討了模糊隨機(jī)疲勞疲勞損傷及剩余強(qiáng)度的問(wèn)題。

疲勞分析可分為S-N曲線法和斷裂力學(xué)方法［10］，目前疲勞裂紋擴(kuò)展分析是基于Paris-Erdogan公式［11］，其計(jì)算結(jié)果對(duì)裂紋的初始尺寸和形狀具有極高的敏感度，裂紋初始狀態(tài)是受多種因素影響的隨機(jī)現(xiàn)象，因而造成研究成果差異較大，未形成統(tǒng)一結(jié)論。故而行業(yè)內(nèi)多采用S-N曲線方法來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)疲勞，本文將基于S-N曲線法和Miner線性累積損傷理論進(jìn)行全鋼質(zhì)筒型基礎(chǔ)的疲勞分析及優(yōu)化。

1 波浪譜

波浪從長(zhǎng)期而言不具備平穩(wěn)性，波浪的長(zhǎng)期分布可看成是有許多短期海況的序列組成，以平靜的海平面作為參考，設(shè)海上任一點(diǎn)的波面升高為[η（t）]，波浪過(guò)程的自相關(guān)函數(shù)為：

[Rηη（t1，t2）=Eη（t1）η（t2） """"" """ =-∞+∞-∞+∞η1η2fη1η2（η1，η2;t1，t2）dη1dη2]" （1）

式中：[fη1η2（η1，η2;t1，t2）]——波浪過(guò)程的二階聯(lián)合概率密度函數(shù)。

在短期海況中，波浪是一個(gè)平穩(wěn)的正態(tài)隨機(jī)過(guò)程［12］，其自相關(guān)函數(shù)僅與時(shí)間間隔[τ]有關(guān)，令時(shí)間[t2=t1+τ]，則式（1）可寫(xiě)為：

[Rηη（t）=Eη（t）η（t+τ） ， -∞lt;τlt;+∞] （2）

波浪過(guò)程的功率譜密度傅里葉變換為：

[Gηη（ω）=1π-∞+∞Rηη（t）e-iωτdτ， 0≤ωlt;+∞]"" （3）

式中：[ω]——波浪圓頻率，[ω=2πf;][f]——波浪頻率。

波浪譜常用P-M譜與JONSWAP譜［13］，本文采用波浪充分成長(zhǎng)的P-M譜，波浪譜函數(shù)為：

[Gηη（ω）=αg2ω2exp-βguω4， 0≤ωlt;+∞] （4）

式中：[u]——海平面上空19.5 m處的風(fēng)速；[α、][β]——常參數(shù)。

采用波浪平均跨零周期[Tz]與有效波高[HS]表示的雙參數(shù)波浪譜函數(shù)［13］為：

[Gηη（ω）=124H2ST4zω5exp-496T4zω4]""""" （5）

波浪功率譜密度函數(shù)的物理意義是某一頻率區(qū)間內(nèi)波浪的單位波面總能量與頻率區(qū)間長(zhǎng)度的比值的度量，其表征了不規(guī)則波浪能量在不同頻率的余弦波分量中的分布情況。

2 疲勞分析

疲勞分析是基于結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱點(diǎn)應(yīng)力在壽命期內(nèi)的長(zhǎng)期分布進(jìn)行的，結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由波浪載荷引起，因而在波浪過(guò)程和結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)存在線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，設(shè)交變應(yīng)力功率譜密度為[Gss（ω）]，則有：

[Gss（ω）=f（ω）2Gηη（ω）]" （6）

式中：[f（ω）]——結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)，如考慮波浪的入射方向，則有：

[Gss（ω）=θ-π2θ+π2H（ω;θ）f（ω;θ）2Gηη（ω）dθ] （7）

式中：[H（ω;θ）]——波浪的方向分布函數(shù)。

由式（6）可得到功率譜密度的0階矩、2階矩和4階矩，[n]階矩為：

[mn=0+∞ωnGss（ω）dω ， n=1，2，3，…，L]" （8）

功率譜密度的帶寬系數(shù)[ε]與不規(guī)則系數(shù)[δ]為：

[ε=1-m22m0m4δ=m22m0m4]" （9）

[ε≤0.4]時(shí)，交變應(yīng)力為窄帶分布；[εgt;0.4]時(shí)，交變應(yīng)力為寬帶分布。為方便計(jì)算，對(duì)寬帶分布可近似采用標(biāo)準(zhǔn)差[σx]與跨零率[f0]與原分布相關(guān)的窄帶過(guò)程來(lái)代替。

交變應(yīng)力過(guò)程為窄帶時(shí)，應(yīng)力分布概率密度函數(shù)服從Rayleigh分布：

[Qs（S）=S4σx2exp-S28σx2， 0≤S≤+∞]"""" （10）

其中[σx=m0]， [f0=12πm2m0]

設(shè)波浪是由[k]個(gè)短期海況組成的，第[i]個(gè)海況的累積損傷度為：

[DLi=0+∞NLiQs（S）NdS]"""" （11）

由S-N曲線：

[lgN=lgA-mlgSttrefz]""" （12）

可得：

[N=ASm?ttrefzm]"" （13）

式中：[NLi]——第[i]海況載荷譜周期內(nèi)的應(yīng)力范圍總循環(huán)次數(shù)；[m]——S-N曲線的斜率；[lgA]——曲線在[lgN]軸上的截距；[z]——厚度指數(shù)。

部分海況由窄帶分布替代寬帶分布，應(yīng)進(jìn)行雨流修正，修正系數(shù)計(jì)算為：

[λi=a+（1-a）（1-ε）b]"""" （14）

式中：[a=0.926-0.033m;b=1.587m-2.323]。

則整個(gè)服役期[L]內(nèi)的疲勞累積總損傷度為：

[DL=i=1kλiDLi]"" （15）

3 全鋼筒算例

以廣東海域某海上風(fēng)電示范項(xiàng)目為例，采用6.45 MW發(fā)電機(jī)組，輪轂高度110 m，水深11～15 m，本項(xiàng)目采用全鋼質(zhì)筒型基礎(chǔ)作為基礎(chǔ)型式之一。

如圖1所示，基礎(chǔ)采用單柱六斜撐形式，筒裙直徑34 m、高度14.7 m，筒內(nèi)設(shè)有7個(gè)分艙，筒頂布置徑環(huán)向梁系，單柱直徑7.50 m，高度24.8 m，斜撐高度10.17 m，斜撐與單柱外周直接焊接，單柱壁厚65 mm，斜撐板厚度45 mm，機(jī)位處土體參數(shù)如表1所示。

風(fēng)場(chǎng)全年波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)即有效波高與譜峰周期（[HS]-[TP]）聯(lián)合概率分布表如表2所示，筒型基礎(chǔ)在服役期內(nèi)隨機(jī)波浪致疲勞分析基于全年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行，可見(jiàn)風(fēng)電機(jī)位波浪周期與波高分布均較廣泛，對(duì)基礎(chǔ)疲勞產(chǎn)生影響的波浪未集中在某一波段，需考慮所有海況對(duì)基礎(chǔ)的作用。

如表2所示，一年內(nèi)波浪出現(xiàn)的周期范圍主要集中在1～15 s，波高主要集中在0.1～2.5 m，表中值代表各譜峰周期-有效波浪對(duì)應(yīng)的短期海況在全年中出現(xiàn)的頻率。

根據(jù)華鋒等［14］的研究可得到譜峰周期[TP]與平均跨零周期[Tz]的關(guān)系為：

[TP=1.41Tz]"" （16）

根據(jù)式（5）、式（16），將表2中各[TP]代入式（16），轉(zhuǎn)化為T(mén)2后與HS代入式（5）中，可得到若干個(gè)關(guān)于波浪圓頻率[ω]的短期海況波浪譜密度函數(shù)，本文為方便計(jì)算，代入計(jì)算的波高值均取表 2中每個(gè)波高段中值，為方便對(duì)比，將[HS]值相同、[TP]值不同的所有波浪譜密度曲線置于同一圖中，繪制得到各短期海況的P-M譜函數(shù)曲線，如圖2所示。

從波浪功率譜密度函數(shù)曲線可得出各短期海況的能量均集中在譜峰周期[TP]對(duì)應(yīng)的主頻率附近，相同波高條件下，譜峰周期[TP]越大，則峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率越大。

本次疲勞計(jì)算考慮風(fēng)電機(jī)組載荷疲勞與波浪致疲勞的疊加，機(jī)組疲勞載荷采用廠家提供的等效疲勞載荷，其計(jì)算方法為擬靜力計(jì)算，本文不做過(guò)多敘述。

波浪致疲勞需計(jì)算全鋼質(zhì)筒基礎(chǔ)在波浪作用下的應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)[f（ω）]，主要考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)的受力狀態(tài)，采用有限元軟件進(jìn)行筒基礎(chǔ)的波浪力動(dòng)力計(jì)算，在建模中為了消除邊界效應(yīng)，建模土體直徑取為筒體直徑的9倍，土體高度取為筒體高度的7倍。筒體鋼材等級(jí)為Q355，筒壁、筒頂內(nèi)側(cè)與筒周土之間采用了非線性摩擦接觸，切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.5，法向設(shè)為硬性接觸。土體參數(shù)見(jiàn)表1，地基土采用摩爾-庫(kù)倫模型，其參數(shù)主要包括變形模量[E]、摩擦角[φ]、剪脹角[γ]、泊松比[v]和粘聚力[p]等，這里用彈性模量[Es]等效代替變形模量[E]；基礎(chǔ)在某一波浪作用應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)應(yīng)力云圖可得到基礎(chǔ)的荷載傳力路徑和應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力集中主要由焊接焊縫與構(gòu)件整體幾何形狀引起，非管狀節(jié)點(diǎn)焊縫焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力可采用有限元分析方法計(jì)算，對(duì)于節(jié)點(diǎn)焊縫位置采用20節(jié)點(diǎn)塊體單元進(jìn)行了局部精細(xì)建模（圖4），焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力可通過(guò)應(yīng)力外推插值法推導(dǎo)得到［15］，根據(jù)有限元分析結(jié)果中距離焊趾位置為[0.5 t]與

[1.5 t]（[t]為焊接件板厚）處的應(yīng)力外推計(jì)算得到，其原理見(jiàn)圖5。

根據(jù)有限元應(yīng)力云圖，選取5個(gè)具有典型性的焊縫連接點(diǎn)與截面突變處等應(yīng)力集中點(diǎn)，基于有限元?jiǎng)恿τ?jì)算，得到節(jié)點(diǎn)N1～N5相對(duì)于波浪頻率的考慮結(jié)構(gòu)共振的應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)[f（ω）]，如圖6所示。

由式（6）或式（7）可計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)各短期海況的交變應(yīng)力功率譜密度[Gss（ω）]，繼而求得[n]階矩，由帶寬系數(shù)[ε]與不規(guī)則系數(shù)[α]可區(qū)分各海況的寬帶與窄帶分布，對(duì)于寬帶分布進(jìn)行雨流修正，對(duì)于非管狀節(jié)點(diǎn)的焊接連接，且焊縫表面采取了簡(jiǎn)單打磨處理，S-N曲線推薦使用具有陰極保護(hù)的海水環(huán)境下的[D]曲線，見(jiàn)式（17）。

[lgN=11.764-3lgSt250.2 ， N≤106lgN=15.606-5lgSt250.2 ， Ngt;106]" （17）

式中：[N]——應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)；[S]——應(yīng)力幅；[t]——計(jì)算板件厚度。

疲勞損傷是結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境載荷作用下應(yīng)力幅實(shí)際循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力幅按S-N曲線獲取的疲勞失效循環(huán)次數(shù)的比值，累積疲勞損傷即為所有可能出現(xiàn)的應(yīng)力水平的損傷疊加值。

由式（11）、式（15）可求得節(jié)點(diǎn)N1～N5的風(fēng)電機(jī)組載荷與波浪作用總疲勞損傷及壽命年數(shù)如表3所示。

由計(jì)算結(jié)果知，在同樣的海況條件下，結(jié)構(gòu)各點(diǎn)應(yīng)力水平的響應(yīng)水平導(dǎo)致了疲勞損傷的較大差異性，其中節(jié)點(diǎn)N3整體應(yīng)力響應(yīng)值最大，因此其疲勞損傷最大，且依據(jù)DNV海上鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［16］，位于水下浪濺區(qū)的外部焊接節(jié)點(diǎn)應(yīng)考慮疲勞設(shè)計(jì)因子[DFF=3]，即疲勞損傷值應(yīng)滿足[D≤1/DFF=0.333]，計(jì)算節(jié)點(diǎn)最大損傷值達(dá)到1.289，不滿足疲勞設(shè)計(jì)要求，因此需降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度。

基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)，采用對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何形狀調(diào)整的方式優(yōu)化內(nèi)力分布，調(diào)整后的全鋼質(zhì)筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式如圖7所示，主要改變位置為單柱與斜撐的連接處采用了弧形過(guò)渡設(shè)計(jì)，并設(shè)置了環(huán)形肋板，增加了斜撐的局部加強(qiáng)板和三角加勁板，斜撐具體尺寸如圖8所示。

對(duì)于優(yōu)化后的筒型基礎(chǔ)新結(jié)構(gòu)，選取同樣位置的5個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)波浪力動(dòng)力計(jì)算得到應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)[f（ω）]如圖9所示。

計(jì)算分析得到節(jié)點(diǎn)N1～N5的風(fēng)電機(jī)組載荷與波浪作用總疲勞損傷及壽命如表4所示。

從計(jì)算結(jié)果可知，筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)幾何形式調(diào)整后，傳力路徑得到了明顯優(yōu)化，帶弧形過(guò)渡的斜撐可將外部載荷更好地傳遞給筒裙，斜撐與柱體連系的部位應(yīng)力集中情況得到明顯改善，熱點(diǎn)應(yīng)力與疲勞損傷大幅降低，最大值僅為0.228，極大延長(zhǎng)了筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4 結(jié) 論

波浪載荷作為海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)載荷之一，波浪的隨機(jī)性給海上鋼結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估帶來(lái)較大的不確定性，特別對(duì)于筒型基礎(chǔ)這種新型基礎(chǔ)形式，目前市場(chǎng)上尚無(wú)能準(zhǔn)確評(píng)估其疲勞壽命的軟件，本文以某海上風(fēng)電場(chǎng)筒型基礎(chǔ)為實(shí)例，對(duì)其波浪致疲勞進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）本文以頻率域上的波譜分析方法，結(jié)合熱點(diǎn)應(yīng)力的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)全鋼質(zhì)筒基礎(chǔ)進(jìn)行了疲勞損傷計(jì)算與壽命評(píng)估，得到的結(jié)果是合理可行的，說(shuō)明了波浪譜疲勞分析方法對(duì)于新型筒型基礎(chǔ)具有適用性。

2）波浪致疲勞損傷值依賴(lài)于應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)的幅值變化，即對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力的幅值水平敏感性較高。

3）筒型基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于疲勞壽命的影響極大，關(guān)鍵部位的外形優(yōu)化及局部加強(qiáng)能極大降低疲勞損傷，因此在疲勞為控制工況的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)盡量的采用流暢的外形線條，對(duì)于截面突變的位置，應(yīng)設(shè)置圓弧過(guò)渡來(lái)降低應(yīng)力集中，從而延長(zhǎng)使用壽命。

4）波浪疲勞分析實(shí)質(zhì)是可靠性分析，影響因素較多，疲勞計(jì)算過(guò)程中應(yīng)充分考慮波浪模型、S-N曲線、地基土參數(shù)等因素選取的合理性。

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FATIGUE ANALYSIS CAUSED BY WAVE AND OPTIMIZATION OF

ALL-STEEL BUCKET FOUNDATION FOR

OFFSHORE WIND TURBINES

Zeng Bin 1，Liu Haibo1，Zhou Dezong2，Zhang Yutong2，Cong Yunlong3，Tang Zhide3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China；

2. Southern Offshore Wind Power Joint Development Co.， Ltd.， Zhuhai 519000， China；

3. China Coal No.68 Engineering Co.， Ltd.， Jining 273500， China）

Abstract：Fatigue is one of the major factors controlling the safety of foundation for offshore wind turbines. The fatigue research of the new all-steel bucket foundation for offshore wind turbines is carried out in this paper based on the random wave theory and spectrum analysis method， the fatigue damage accumulation calculation method that the structure alternating stress under long-term sea state obeys Rayleigh distribution is discussed. The cumulative fatigue damage and life of the all-steel bucket foundation for offshore wind turbines is calculated based on the aforementioned theory， the results indicate that the main fatigue failure points of bucket foundation centrally located in the intersection of the diagonal brace and the cylinder. According to the previous results， local geometry of the structure is optimized. Comparison of results indicates that the geometric optimization of key parts can greatly reduce the degree of stress concentration and cumulative fatigue damage. Meanwhile， it verifies that the fatigue calculation results have high sensitivity to the level of hot spot stress.

Keywords：offshore wind turbines； spectrum analysis； fatigue damage； bucket foundation； geometry optimization