摘 要：為實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)，提出基于整體-局部方式建模的疲勞分析方法。利用該方法對熱點(diǎn)局部區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)有限元建模，基于IIW規(guī)范采用高精度六面體實(shí)體單元離散，其余非重點(diǎn)區(qū)域采用梁單元離散，可克服以往運(yùn)用應(yīng)力影響矩陣研究中忽略整體結(jié)構(gòu)位移、邊界條件不易施加等缺點(diǎn)?；贗EC 61400規(guī)范進(jìn)行整機(jī)動力學(xué)和載荷計(jì)算，對某海上風(fēng)電機(jī)組三腳架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析。對比分析不同載荷工況、波高和水深下的累積損傷值，結(jié)果驗(yàn)證了所提出的整體-局部建模方法在海上風(fēng)電機(jī)組三腳架支撐結(jié)構(gòu)疲勞分析中的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電機(jī)組；抗疲勞性；疲勞損傷；疲勞載荷；網(wǎng)格劃分

中圖分類號：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來陸上風(fēng)電機(jī)組倒塔事件頻發(fā)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題受到廣泛關(guān)注［1-2］。由于海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝與運(yùn)維成本更高，支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尤其是疲勞強(qiáng)度成為研究熱點(diǎn)。應(yīng)力集中因子（stress concentration factor，SCF）概念簡單，在支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛［3］，其最初研究集中在較簡單的K 型、X 型管節(jié)點(diǎn)上，后來發(fā)展至復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式、復(fù)合材料加強(qiáng)的管節(jié)點(diǎn)上［4］。在疲勞預(yù)測方面，董文斌等［5］提出采用兩參數(shù)威布爾函數(shù)和廣義γ 函數(shù)描述典型工況導(dǎo)管架應(yīng)力變程分布；Yeter等［6］提出基于時頻轉(zhuǎn)換三腳架的頻域疲勞計(jì)算方法；徐傳恒等［7］和Larsen 等［8］分別提出K 型管節(jié)點(diǎn)的多軸疲勞預(yù)測方法和疲勞分析的隨機(jī)有限元法；劉伯紘等［9］在應(yīng)力影響矩陣中增加了重力項(xiàng)以得到更精確的時序應(yīng)力數(shù)值；Shittu 等［10］對比了疲勞理論和斷裂力學(xué)評估海上風(fēng)電基礎(chǔ)強(qiáng)度結(jié)果的異同；朱航等［11］探究三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的浮運(yùn)穩(wěn)性以及極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。有關(guān)風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)抗疲勞研究可參考文獻(xiàn)［12］。

三腳架是海工結(jié)構(gòu)中常見的支撐型式，可用于超過30 m水深且單機(jī)容量大于5 MW 的風(fēng)電機(jī)組。王濱等［13］分別考察了單方向載荷與全方位載荷對三腳架基礎(chǔ)疲勞壽命的影響；馬宏旺等［14］提出考慮局部和全局沖刷效應(yīng)的沖刷模型；梁發(fā)云等［15］考察了沖刷作用下的三腳架樁基的拉力作用；袁春光等［16］開展了深水域三腳架沖刷實(shí)驗(yàn)；張力偉等［17］建立考慮樁土和流固耦合作用的三腳架支撐風(fēng)電機(jī)組動力學(xué)模型；Arcigni 等［18］考察了海生物對三腳架動態(tài)性能的影響；郝二通等［19］對比了不同基礎(chǔ)支撐下抗船體碰撞能力；Luczak 等［20］對比了兩種基于振動信號的三腳架損傷檢測方法；康海貴等［21］驗(yàn)證了粒子群算法在三腳架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有效性；楊和振等［22］提出動力響應(yīng)下的三腳架可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；李煒等［23］對比了固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同組成部分對基頻的影響；鮑石榴等［24］開展了由面外彎矩引起的三腳架熱點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究。

在三腳架支撐結(jié)構(gòu)中，主筒和3 個斜支撐相貫處的外形復(fù)雜，且受到面內(nèi)外彎矩、推力等復(fù)雜載荷作用。目前應(yīng)用較為成熟的SCF 方法仍存在諸多不足，諸如：通常選取極限強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來假設(shè)疲勞失效點(diǎn)，無法得到全場累積疲勞損傷分布；基于單一方向載荷作用的SCF 評估方法忽略了多方向載荷的疊加效應(yīng)；在風(fēng)浪流耦合作用下，有關(guān)波浪載荷等對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響缺乏定量研究。鑒于上述問題，本文提出整體-局部的三腳架有限元建模方法，克服以往應(yīng)力影響矩陣方法無法考慮整體結(jié)構(gòu)邊界條件的不足，考察關(guān)鍵部位疲勞損傷分布特點(diǎn)，證明所提方法在三腳架疲勞分析中的必要性，考察波高、水深環(huán)境參數(shù)對疲勞損傷的影響規(guī)律。

2.2 基于整體-局部建模的三腳架疲勞分析

在應(yīng)用SIM 時，以往研究將整體分析的載荷或位移施加到局部模型上作為邊界條件，這種處理方式忽略了整體與局部關(guān)聯(lián)性，且當(dāng)施加載荷或位移的通道數(shù)量較多時，不易施加邊界條件。為克服上述缺陷，提出整體-局部建模方法，選取三腳架主筒與斜支撐相貫處作為重點(diǎn)考察部位。如圖1 所示，焊縫處由被焊接件和焊趾組成，根據(jù)IIW 標(biāo)準(zhǔn)這里不再對焊趾結(jié)構(gòu)建模，其力學(xué)性能在焊縫S-N 曲線中體現(xiàn)。對焊縫及周邊區(qū)域采用高精度六面體單元離散，非重點(diǎn)考察區(qū)域采用一維梁單元模擬，網(wǎng)格模型包含58.8 萬個單元和89.4 萬個節(jié)點(diǎn)。由此可知，該處理方式在獲取局部結(jié)構(gòu)精確應(yīng)力值的同時，可避免整體離散對應(yīng)的龐大有限元規(guī)模，同時弱化了施加在局部結(jié)構(gòu)邊界條件對整體分析結(jié)果的依賴性。

全約束三腳架底部三節(jié)點(diǎn)，在頂部梁單元節(jié)點(diǎn)上施加6 個通道載荷，即Fx、Fy、Fz、Mx、My 和Mz，累積損傷分布如圖2 所示。由圖2 可知，最大累積疲勞損傷值為0.6069，壽命設(shè)計(jì)滿足疲勞強(qiáng)度要求。在SCF 方法中，通常選取如圖2 所示的8 個均布點(diǎn)作為考察熱點(diǎn)，但圖2 中的最大疲勞損傷點(diǎn)位于斜支撐與主筒相貫處的某點(diǎn)，并非預(yù)設(shè)熱點(diǎn)。其次，相對于SCF 方法逐點(diǎn)計(jì)算累積損傷值，所提方法在SIM基礎(chǔ)上，快速計(jì)算全場累積損傷值，更加全面了解疲勞損傷分布情況。由此可證明所提方法在三腳架結(jié)構(gòu)疲勞分析的可行性和優(yōu)越性。

2.3 不同載荷作用的累積損傷結(jié)果對比

本節(jié)考察不同載荷作用下的累積損傷值，以證明所提方法的必要性。假設(shè)Fx、Mx、My 和Mz 單獨(dú)作用，得到如圖3所示的累積損傷結(jié)果。由圖3 可知，4 種情況下的累積損傷值分別為8.07×10-5、3.48×10-4、0.121 和0.02293，均低于0.6069。結(jié)果表明My 是引起疲勞破壞的主要因素，但其他載荷貢獻(xiàn)也不可忽略，所以采用單一載荷作用結(jié)合SCF 方法將低估累積損傷值，得到此較危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)。上述結(jié)果證明了所提方法在三腳架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核中的必要性。

2.4 不同波高下的累積損傷結(jié)果對比

在以往研究中，較少考察風(fēng)浪流耦合作用對累積損傷的影響。這里設(shè)置1～5 倍的波高，不同波高下累積損傷結(jié)果對比，如圖4 所示。由圖4 可知，累積損傷最大值隨波高倍數(shù)的增加而增加，在當(dāng)超過4 倍波高時急劇增加，這說明隨著波高的加高，浪流載荷對疲勞損傷的影響作用加強(qiáng)。

2.5 不同水深下的累積損傷結(jié)果對比

保持波高不變，設(shè)置水深變化范圍為45～60 m，不同水深下的累積損傷結(jié)果對比如圖5 所示。

由圖5 可知，在一定水深范圍內(nèi)，最大累積損傷值隨水深的增加而增加；水深超過50 m 時的累積損傷值超過1，不再滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組三腳架支撐結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)，提出基于整體-局部方式的建模方法，針對某海上風(fēng)電機(jī)組，計(jì)算得到所選局部結(jié)構(gòu)的累積損傷分布，考察了不同方向載荷引起的疲勞損傷結(jié)果，對比了不同波高、水深下的累積損傷數(shù)值，可得到如下主要結(jié)論：

1）所提出的整體-局部有限元建模方法能保持原有SIM方法精細(xì)建模、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了其忽略整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)、邊界條件不宜施加的缺點(diǎn)。相比較較為成熟的SCF 法，可快速獲取全場累積損傷分布。

2）三腳架結(jié)構(gòu)累積損傷是不同方向載荷作用疊加的結(jié)果，單一載荷方向結(jié)合SCF 方法會低估累積損傷值，得到比較危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3）最大累積損傷值隨著波高、水深數(shù)值的增加而增加，當(dāng)波高或水深增加到一定數(shù)值時，累積損傷值會超過許用值，浪和流引起的載荷在一定程度上起到主導(dǎo)作用。

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