海上风电机组基础防碰撞分析及防护措施探讨

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浏览1149次时间:2014年12月10日 14:49

随着风力发电技术的快速发展,陆上可开发利用的风电场越来越少,而海上风电开发越来越受到重视。海上风电机组基础作为海上风电开发的基础性设施,长期在海上恶劣的环境下工作,不可避免会遇到各种碰撞问题。例如,供应船与基础的碰撞、上部结构坠物到基础平台和浮冰对基础的撞击等。这些意外事故经常使基础发生整体弯曲或局部屈曲,结构承载能力降低,直接影响到基础的安全性和耐久性,甚至可能引起风电机组倒塌等灾难性后果。

根据Tebbett《最近五年钢制平台的修理经验》中对世界上100 起需要修理的海洋结构物损伤原因进行分析得到结果,约25% 的海洋结构物损伤是由于碰撞引起的。根据英国HSE 机构对海洋平台的损伤调查,在海洋平台发生损伤的原因调查中船舶碰撞占11.2%,是主要原因之一。根据DNV 海洋工业报告,在挪威北海海域从2001 年到2011 年十年间共发生船舶与海洋平台碰撞事故26 起,其中6 起造成严重后果。

海上风电机组基础与海洋平台有着类似的结构形式,但是由于海上风电机组处于刚刚起步阶段,技术尚未成熟,对应的海上风电机组基础碰撞方面的研究还不够充分,也很少有标准规范可供参考。本文对海上基础与船舶碰撞的研究借鉴了海洋平台碰撞方面的标准和经验。基于ANSYS/LS - DYNA 软件,通过结构模型化及数值仿真计算,获得并分析了船桥碰撞力、能量转换、以及风电机组基础结构的冲击响应的一般规律和特点,从而为海上风电机组基础设计、维护、防撞措施等提供理论上的支持。

船舶与海洋平台基础碰撞理论发展

早在20 世纪60 年代,Minorsky 在20 多个船舶与平台碰撞事故或者实验的统计数据分析中,得到了撞击船的动能损失量与被撞平台结构损伤之间的线性关系,并以经验公式的形式给出。Martin J.Petersen 的研究工作也同样具有代表性,对二维情况下的碰撞运动过程进行了分析。20 世纪70 年代,McDermott 等人根据塑性静力学的基本理论和方法对游轮与平台结构的低能碰撞问题作了研究。随着有限元技术的发展,Reckling、Minorsky 和Yang 等人相继采用有限元技术对船舶平台碰撞问题进行了研究分析。20 世纪90 年代,Kawamoto 及Che 和Jang利用显示非线性分析程序MSC/DYTRAN 对超大型油轮在碰撞中的结构响应进行了数值模拟分析,采用显示有限元法(LSDYNA3D)分析撞击船的船艏和被撞平台的结构损伤变形,且计算中假设为刚体碰撞。

总之,随着对碰撞问题的深入研究和有限元技术的不断发展,国内外在船舶与海洋平台碰撞问题上的数值模拟手段越来越多,结果也越来越可靠。通过对以往案例数据的统计分析和理论推导,分析结果在海洋平台设计与维护方面也起到了越来越重要的作用。

船舶与海洋平台结构碰撞模拟方法

一、常用分析方法

由于碰撞区的变形损伤程度与船舶安全性以及事故后果有直接关系,因此需要充分重视内部碰撞力学的研究。目前研究内部碰撞力学的方法主要有:统计分析法、试验法、简化分析法和有限元法。

(一)统计分析法

统计分析法是将船舶的碰撞问题分为相对独立的结构损伤和动能损失,研究他们之间的关系,采用完全非线性理论求解碰撞过程中的动能损失,用附连水质量来代替碰撞中水的影响。最后用统计分析方法将损伤体积和动能损失联系起来,建立线性关系。这种依据大量相似船型的船舶碰撞数据总结出的经验公式应用很方便,但从成本上考虑显然是不太现实。另外,这种方法进行了很多简化,精度也不是很高,因此现在应用很少。

(二)试验法

对于比较复杂的无法用理论模型来表达的问题,往往可以通过试验获得比较可靠的结论。在船舶与海洋平台碰撞问题上,荷兰、丹麦、德国、日本等国的学者都进行了很多模拟碰撞试验,并总结出了很多具有参考价值的结论。

但众所周知,试验需要耗费大量的时间和财力,且海洋结构物碰撞问题本身的强非线性特征和碰撞条件的多样性对试验结果在实践中的应用产生很大的局限性,加之海洋结构物的建造非常昂贵,进行此类试验往往因耗资巨大而难以实施,因此这种方法实施起来难度很大。

(三)解析法

简化分析方法一般研究的是破坏过程的特点,借助理论公式加以分析计算,从而为设计者提供整体及局部结构设计计算工具。这种方法主要基于塑性力学中的上限理论和一些重要假设来分析碰撞问题。这些假设主要来自对碰撞事故和试验研究的观察分析。但往往由于它将碰撞中的船舶做了大量简化处理,所以精度相对较低。

(四)有限元数值仿真法

数值仿真法是对船舶真实碰撞场景的虚拟再现,借助于一些有限元分析软件,船舶碰撞过程中的各种物理量都可以作为结果输出,可以真实的模拟碰撞现象,部分代替实船或者模型的碰撞试验,实现“虚拟碰撞”。因此有限元方法是结构碰撞响应分析的强有力工具,也是研究船舶碰撞问题最为有效的方法。

但是目前在工程应用中,由于仿真模型的建立需要一定的知识、经验和处理技巧,模型的计算精度并非总是令人满意,船舶碰撞非线性有限元法用于实际船舶结构的碰撞分析还没有完全成熟,数值仿真法的结果仍然需要试验或者其他研究者的计算结果来检验。

二、船舶与海洋平台碰撞问题的有限元数值仿真

船舶碰撞的数值仿真大都采用非线性有限元方法,不仅能够考虑结构大变形、接触、材料非线性和结构失效等情况,计算碰撞区的结构损伤变形与碰撞力,而且结合了外部机理的分析与计算。

目前常用的三维非线性动态响应分析程序MSC/Dytran 和LS - DYNA 等都可以用来模拟碰撞响应,利用显示或隐式方法求解流体-结构的动力学控制方程,能较好的解决碰撞中的大变形、损伤、接触、流体动力等问题。

三、本文分析方法

本文采用两步分析方法对船舶与风电机组海上基础的碰撞进行数值模拟。

根据分析经验,拟采用LS - DYNA 和ANSYS 软件进行分析。借助ANSYS Workbench 软件与SolidWorks良好的接口和强大的模型前处理功能,对要分析的船体和风电机组基础进行网格划分与处理,将生成的有限元模型导入LS - DYNA 进行刚体碰撞分析并提取所需结果。最后将碰撞分析结果作为输入条件对风电机组基础局部详细模型进行分析,得到基础结构的损伤。

船舶和风电机组基础碰撞有限元分析

一、海上风电机组基础结构模型

根据某风电机组海上基础结构设计方案,建立六桩导管架基础模型。每个基础有6 根钢管桩,结构底面直径为24m;钢管桩采用Q345C 型钢材,导管架钢材为Q345D 型,如图1 所示。

假设撞击船为5000 吨级,简化后型长20m,型宽16m,型深15m,吃水线5m。计算模型碰撞区域采用壳单元建模,对艏尖舱之后的船体,因其远离碰撞区域,实际并不产生变形,仅提供刚度和质量影响,故将其省略。

二、有限元模型

根据简化的几何模型建立有限元模型,为减少计算时间和保证结果精度,本项目中基础和船体都采用壳单元SHELL163 单元建模;并对所关心的碰撞区域网格细化,得到整体结构有限元模型如图2 和图3 所示。

图1 导管架基础结构

三、接触算法

碰撞构件之间的相互作用通过接触算法来完成。在可能发生接触作用的结构之间定义接触面,接触面能有效地模拟相撞结构之间的相互作用,并允许结构之间连续不断的接触和滑动。

图2 整体结构有限元模型

图3 局部网格加密

本文使用的是主从面接触算法,在求解的每一时间步长,检查从属节点的位置坐标,看它是否已经穿透主面,如果还没有穿透,则计算工作不受影响地继续进行;如果已经穿透,则在垂直于主面的方向上施加一个作用力,以阻止从属节点的进一步穿透,这个作用力就是接触力。接触力的大小取决于穿透量和接触面两侧的单元属性。

图4 模型约束条件

四、分析工况

本项目模拟了多种船艏与基础碰撞的工况,并根据计算结果总结规律,得到分析船与风电机组基础碰撞的一般规律。

(一)约束条件

对风电机组基础钢管桩底部位置进行全约束;为保证船艏运动方向,约束船艏沿竖直方向的自由度。模型约束条件如图4 所示。

(二)分析工况

本项目中根据船舶的初始速度大小和方向,分别计算了多种工况的碰撞分析。具体工况如表1 所示。无碰撞防护措施图和有碰撞防护措施图如图5、6 所示。

图5 无碰撞防护措施

图6 有碰撞防护措施

五、碰撞分析结果

本文主要给出了船艏正面以速度V = 4m/s 的速度与风电机组基础垂直碰撞的情况,船体与基础之间无防护装置和有防护措施两种情况下的相关曲线及应力云图,具体计算结果如图7 -图22 所示。

(一)无防护措施,见图7 -图14。

图7 碰撞力曲线

图8 速度、位移曲线

图9 能量曲线

图10 碰撞加速度曲线

图11 碰撞过程最大应力云图

图12 碰撞后残余应力云图

图13 局部应力云图

图14 局部塑形应变云图

(二)有防护措施,见图15 -图22。

图15 碰撞力曲线

图16 速度、位移曲线

图17 能量曲线

图18 碰撞加速度曲线

图19 碰撞过程最大应力云图

图20 碰撞后残余应力云图

图21 局部应力云图

图22 局部塑性应变云图

所有分析工况下,分析结果列表如表2 所示。从以上分析可以看出,结构吸能、等效应力、塑性变形参量随着船初始动能的增加而增加,但是会由于防撞设施的设置而有效降低,这三个参数是衡量风电机组基础抵抗撞击性能的重要指标。因此,在风电机组基础设计中可以通过设置防撞结构,有效降低由于船舶等结构碰撞对基础结构造成的影响。

六、防护措施

根据研究发现,发生船舶与平台碰撞的过程中,运维船只是造成碰撞的主要因素,所以对于海上风电机组基础来说,必须充分考虑运维船只对基础结构带来的破坏性影响;通过以上的分析也可以看到,采取了一定的防护措施后,基础支撑结构受到的作用力会大大减小,可以减少船舶对支撑结构的损坏。目前可用的方法有:在靠船的过程中,船舶逆流靠近基础平台;增加橡胶、轮胎等缓冲装置,减少运维船只撞击力;在基础支撑结构上设置、靠船件,减少船舶对基础结构的直接冲击力等。

结论

从上面的分析结果可以得到船与风电机组基础碰撞后的响应,包括风电机组基础设计所关心的应力、应变、加速度、能量等参数的变化。通过对这些结果参数的分析比较,

可以得到初步结论如下:

船-风电机组基础碰撞的力学过程和结构损伤可以用ANSYS/LS_DYNA 软件详细模拟,数值计算结果可以作为风电机组海上基础结构设计、评估的有效依据。

结构吸能、等效应力、塑性变形参量随着船初始动能的增加而增加,但是会由于防撞设施的设置而有效降低,这三个参数是衡量风电机组基础抵抗撞击性能的重要指标。因此,在风电机组基础设计中可以通过设置防撞结构,有效降低由于船舶等结构碰撞对基础结构造成的影响。

从碰撞分析中还可以提出其他计算结果(如碰撞力、碰撞后速度、加速度等参数曲线),作为局部结构详细分析的输入条件,可以对基础或者船只结构强度进行评估。

来源:《风能》

文 | 吴永祥,李文通,宁红超(作者单位:国电联合动力技术有限公司)

原标题:海上风电机组基础防碰撞分析及防护措施探讨

 

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