基于SACS-Bladed的海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法研究

文 | 吳永祥，羅翔

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基于SACS-Bladed的海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法研究

文 | 吳永祥，羅翔

海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)與陸上風(fēng)電機組基礎(chǔ)受力情況不同，除了承受風(fēng)載荷、上部風(fēng)電機組運行載荷以外，還承受波浪、海流等載荷，因此進行多工況下風(fēng)電機組基礎(chǔ)的疲勞分析是工程設(shè)計過程中的難點。海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)屬于海洋結(jié)構(gòu)工程范疇，但因為風(fēng)電機組塔筒結(jié)構(gòu)兼具高聳結(jié)構(gòu)的特性，動力特性明顯，易發(fā)生疲勞損傷，同時風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)又具有自身受力特點，因此對海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析需要考慮：土壤+波浪+支撐結(jié)構(gòu)+塔筒+機艙葉片的整體結(jié)構(gòu)分析模式。

本文以某四樁導(dǎo)管架海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)為例，通過海洋工程設(shè)計軟件SACS以及風(fēng)電機組載荷計算軟件Bladed聯(lián)合進行疲勞計算分析。分析過程全面考慮了海上風(fēng)電機組的疲勞載荷，包括波流載荷和風(fēng)電機組載荷時程曲線，參考選取API、DNV等規(guī)范建議的S－N曲線，基于Miner疲勞累積損傷理論進行結(jié)構(gòu)管節(jié)點疲勞壽命計算，計算效率高、分析精確，為海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)在風(fēng)波流耦合條件下的結(jié)構(gòu)疲勞分析提供一定的方法和思路。

疲勞分析方法

海洋平臺結(jié)構(gòu)一般采用譜疲勞分析方法：該方法認為波浪載荷是造成海洋平臺結(jié)構(gòu)疲勞的主要原因，通過波浪的概率分布來計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，稱為譜疲勞分析方法。陸上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的疲勞分析，一般采用風(fēng)電機組等效疲勞載荷來進行結(jié)構(gòu)的疲勞計算。而對于海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)來說，同時要承受波浪載荷和風(fēng)電機組載荷的耦合作用。

現(xiàn)有的歐洲、國內(nèi)的工程實踐以及研究表明，疲勞分析是海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計難點，疲勞工況也是風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)分析的控制工況?，F(xiàn)有的一些分析方法是將風(fēng)電機組疲勞損傷和波浪疲勞損傷進行簡單疊加，而國外的研究表明，此種做法過于保守，實際上應(yīng)該考慮風(fēng)電機組載荷和波浪載荷的耦合效應(yīng)。國外歐洲Utgrunden項目采用的是風(fēng)電機組載荷疲勞損傷和波浪疲勞損傷分別計算，然后采用平方和開平方得到最終疲勞壽命；Blyth項目采用的是完全時域模擬方法，將風(fēng)電機組疲勞載荷和波浪疲勞載荷全時間域內(nèi)計算，共計90個工況。Jan van則提出采用完全時域模擬方法，并用于實際項目結(jié)果符合良好。國內(nèi)方面，目前的疲勞設(shè)計中，一般采用傳統(tǒng)的等效載荷疲勞分析方法進行分析。

疲勞載荷分析

一、風(fēng)電機組載荷

海上風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)主要載荷是風(fēng)電機組載荷。目前國內(nèi)風(fēng)電機組載荷計算一般選用專業(yè)計算軟件GH Bladed，而海上風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于海洋工程領(lǐng)域，在具體的分析過程中，一般由風(fēng)電機組廠家按照IEC 61400規(guī)范要求提供相應(yīng)的風(fēng)電機組載荷。

二、環(huán)境載荷

海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)受到的環(huán)境荷載主要為風(fēng)、波流載荷。一般采用常規(guī)海洋工程方法計算，作用于支撐結(jié)構(gòu)以及塔架上的風(fēng)載荷按照靜態(tài)風(fēng)壓計算，波流載荷按照API RP-2A 規(guī)范中的Morison公式計算。

三、動力特性

海上風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)塔筒剛度較小，結(jié)構(gòu)較柔，易發(fā)生共振，動力特性明顯。一般基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足結(jié)構(gòu)的固有頻率介于風(fēng)電機組葉片的頻率1P和3P之間，并考慮10％的安全系數(shù)，保證結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振。

疲勞分析流程

傳統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)物疲勞分析方法和風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法都有一定的局限性，隨著分析技術(shù)的進步以及專業(yè)設(shè)計軟件的發(fā)展，本文通過采用SACS軟件和Bladed軟件建立起合適的專業(yè)數(shù)據(jù)接口，找到一種合理的計算方法對風(fēng)電機組疲勞載荷和波浪載荷進行耦合分析。具體疲勞分析流程如下：

（一）采用SACS軟件建立風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)輪轂高度模擬建立塔筒模型。

（二）依據(jù)API RP 2A規(guī)范計算得出土壤特性曲線，豎向載荷－位移T-Z曲線、樁尖載荷－位移Q-Z曲線以及側(cè)向承載力－位移P-Y曲線。

（三）通過SACS對風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行計算，并輸出BLADED可讀取的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件precede.$PJ。

（四）運行分析程序BLADED直接讀取基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件precede.$PJ，然后根據(jù)IEC61400-1_ed3設(shè)計規(guī)范進行疲勞工況計算（N個）。通過計算然后分別把每個工況下的疲勞力存儲在相應(yīng)的文件夾X（X是1-N，下同）下的文件thload（x）.dat中，對應(yīng)的風(fēng)的時程力曲線存儲在相應(yīng)的文件夾X下的文件thwind（x）.dat中，然后把每個工況對應(yīng)的波浪參數(shù)存儲到相應(yīng)的文件夾X下的文件wvrinp（x）.dat中。

（五）風(fēng)電機組基礎(chǔ)的疲勞計算步驟

1．根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型、海況條件和土壤條件進行樁基線性化，生成樁基的超單元文件dynsef.sup。

2．進行樁基結(jié)構(gòu)動力分析，讀入上步結(jié)果文件dynsef. sup生成結(jié)構(gòu)的剛度矩陣dynmod.dyn和質(zhì)量矩陣dynmas. dyn。

3．疲勞工況荷載1條件下，讀入疲勞時程力、風(fēng)、波對應(yīng)的文件thload（1）.dat、thwind（1）.dat、wvrinp（1）. dat和結(jié)構(gòu)的剛度矩陣dynmod.dyn和質(zhì)量矩陣dynmas.dyn文件然后生成wvroci.dat文件，該文件存儲內(nèi)容為把結(jié)構(gòu)所附加的時程力、波譜力等轉(zhuǎn)化為SACS LOAD，然后進一步的通過wvroci.dat和dynsef.sup生成靜力公用輸出文件saccsf（1）.dat，該文件存儲內(nèi)容為結(jié)構(gòu)在該工況1下的節(jié)點應(yīng)力最大值和最小值，也即節(jié)點應(yīng)力幅。然后通過saccsf （1）.dat和疲勞設(shè)置文件ftginp（1）.dat共同進行該工況1下的疲勞計算，生成該工況1下的疲勞壽命文件ftglst（1）. dat和疲勞累積損傷文件ftgdmo（1）.dat。

4．疲勞工況荷載2條件下，讀入疲勞時程力、風(fēng)、波對應(yīng)的文件thload（2）.dat、thwind（2）.dat、wvrinp（2）. dat和結(jié)構(gòu)的剛度矩陣dynmod.dyn和質(zhì)量矩陣dynmas.dyn文件然后生成wvroci.dat文件，該文件存儲內(nèi)容為把結(jié)構(gòu)所附加的時程力、波譜力等轉(zhuǎn)化為SACS LOAD，然后進一步的通過wvroci.dat和dynsef.sup生成靜力公用輸出文件saccsf（2）.dat，該文件存儲內(nèi)容為結(jié)構(gòu)在該工況2下的節(jié)點應(yīng)力最大值和最小值，也即節(jié)點應(yīng)力幅。然后讀取saccsf （2）.dat和疲勞設(shè)置文件ftginp（2）.dat，以工況1下輸出的疲勞累積損傷文件ftgdmo（1）.dat共同進行該工況2下的疲勞計算，生成該工況2下的疲勞壽命文件ftglst（2）. dat和疲勞累積損傷文件ftgdmo（2）.dat。

5．疲勞工況X條件下，重復(fù)上面的步驟，疲勞計算中讀取X-1工況下的疲勞累積損傷輸出文件ftgdmo（X-1）. dat用于進行疲勞壽命計算，然后輸出疲勞累積損傷文件ftgdmo（X）.dat用于X+1工況下的疲勞計算。

6．疲勞工況N條件下，重復(fù)上面的步驟，讀取N-1工況下的疲勞累積損傷輸出文件ftgdmo（N-1）.dat用于進行疲勞壽命計算,生成疲勞結(jié)果文件ftglst（N）.dat即為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

通過以上步驟，實現(xiàn)了利用專業(yè)分析軟件進行海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的風(fēng)波流耦合分析。

疲勞部位分析

一、管節(jié)點結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要為圓管結(jié)構(gòu)，造成其破壞的主要情況有彎曲、軸向拉伸和彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)以及靜水壓力的共同作用等。管節(jié)點是海上風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)的薄弱位置，設(shè)計過程中應(yīng)滿足構(gòu)造強度、抗沖剪強度和焊縫疲勞強度等要求。管節(jié)點示意圖見圖1。

管節(jié)點構(gòu)造強度應(yīng)滿足：

抗沖剪強度應(yīng)滿足：

管節(jié)點設(shè)計疲勞壽命的安全系數(shù)根據(jù)重要性和所處位置選取不同數(shù)值，參照DNV-OS-J101規(guī)范要求其取值從1.0－3.0。

由于SACS軟件內(nèi)置了各種規(guī)范以及相應(yīng)的S－N曲線，在設(shè)計過程中可以根據(jù)需要直接選用相應(yīng)的規(guī)范。國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)疲勞計算選取的S－N曲線一般基于陸上鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計而定，沒有考慮海洋環(huán)境腐蝕、海生物等因素對海上結(jié)構(gòu)物疲勞壽命的影響。綜合考慮，在本次計算中選取美國石油工程學(xué)會API推薦的S－N疲勞損傷曲線，見圖2。

工程案例分析

一、風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)模型

本工程為某海上3MW風(fēng)電機組四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，塔筒高度為90m，恒定轉(zhuǎn)速為18rpm，使用壽命20年。風(fēng)電機組所處海域水深20m，一年一遇風(fēng)速25.3m/s。波高為6.2m，波周期為10.2s。導(dǎo)管架基礎(chǔ)樁徑1.8m，入泥深度為65m，風(fēng)電機組導(dǎo)管架基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)、樁結(jié)構(gòu)及塔筒結(jié)構(gòu)組合模型如圖3所示。

二、疲勞壽命分析

對于導(dǎo)管架中的主要管節(jié)點進行疲勞分析，疲勞損傷曲線選用API規(guī)范建議的S－N曲線，應(yīng)力集中系數(shù)根據(jù)DNV規(guī)范建議的Efthymiou方法計算。通過第3節(jié)中的計算流程和方法對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進行疲勞分析，主要管節(jié)點疲勞壽命分析結(jié)果見圖4。

三、疲勞結(jié)果分析

海上風(fēng)電機組機組設(shè)計壽命一般為25年，從圖4可以看出，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主要管節(jié)點的疲勞壽命能夠滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)是安全的。有別于常規(guī)的疲勞分析方法，本工程案例中通過復(fù)雜的程序轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)風(fēng)波流耦合疲勞分析。由于風(fēng)電機組載荷和波浪載荷計算分別屬于兩個專業(yè)，涉及不同的領(lǐng)域，國內(nèi)外設(shè)計過程中也沒有統(tǒng)一的方法，因此在設(shè)計過程中對規(guī)范的選取以及參數(shù)選擇等還需要進行深入的研究以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

結(jié)論

針對海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞載荷特點，本文利用海洋工程分析軟件SACS和風(fēng)電機組載荷計算軟件Bladed進行聯(lián)合計算。通過Bladed軟件輸出了風(fēng)作用下風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力時程曲線，然后通過SACS軟件內(nèi)置的疲勞分析模塊，最終實現(xiàn)了海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的風(fēng)波流耦合疲勞分析計算。相比較現(xiàn)有的波浪譜疲勞分析以及簡單的等效載荷疲勞分析方法，本文提供了一種風(fēng)波流耦合計算的疲勞分析方法及分析流程，并通過導(dǎo)管架風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程案例進行了計算，為以后的工程設(shè)計提供了新的分析思路。

（作者單位：龍源（北京）風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司）