海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)典型管節(jié)點(diǎn)疲勞分析

文 | 季曉強(qiáng)，王健，高宏飆，唐永衛(wèi)，王濱

近年來，隨著海上風(fēng)力發(fā)電在新能源領(lǐng)域中的技術(shù)日漸成熟，海上風(fēng)電機(jī)組的容量不斷增大，風(fēng)電機(jī)組的尺寸和重量也都大幅度增加，對于其支撐結(jié)構(gòu)——海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的要求也在不斷提高。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計壽命服役期內(nèi)，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)長期處于復(fù)雜而惡劣的海洋環(huán)境中，遭受來自上部風(fēng)電機(jī)組和海洋環(huán)境引起的交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可達(dá)109之多，結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是管節(jié)點(diǎn)部位易受到疲勞破壞的影響。因此，為保證海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要對典型管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞研究。目前對于風(fēng)電機(jī)組上部荷載和波浪荷載聯(lián)合作用下典型管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷，一般先計算單獨(dú)載荷作用下的疲勞損傷，然后采用簡單相加法、等幅荷載法和直接公式法等方法進(jìn)行組合計算，三種分析方法各有局限性，因此，需要根據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況選擇合適的方法進(jìn)行疲勞分析。

本文以江蘇某實(shí)際海上風(fēng)電項(xiàng)目為背景，三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)為研究對象，結(jié)合該海域環(huán)境特點(diǎn)，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，給出了分析流程和三種方法的計算結(jié)果對比，最終得到適合該項(xiàng)目的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析方法。本文研究旨在為我國海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析提供參考，以及為保障海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的長期安全服役提供技術(shù)支撐。

聯(lián)合作用下的疲勞損傷理論

本文研究對象為某實(shí)際3.6MW風(fēng)電機(jī)組，葉片風(fēng)輪直徑122.9m，輪轂高度90m，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)為三樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式。在陸上風(fēng)電機(jī)組疲勞分析中，通常僅考慮風(fēng)電機(jī)組荷載對結(jié)構(gòu)影響；但對于海上風(fēng)電機(jī)組，還需考慮海洋環(huán)境荷載，否則結(jié)構(gòu)將存在較大誤差。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)承受的風(fēng)電機(jī)組荷載與波浪荷載在時間和空間上都具有多變性，風(fēng)電機(jī)組荷載引起的疲勞損傷由確定性方法計算，波浪荷載引起的疲勞損傷通過譜分析方法得到；如將兩種荷載引起的疲勞損傷進(jìn)行簡單組合，將導(dǎo)致計算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。最理想的方法是能夠得到結(jié)構(gòu)在聯(lián)合作用下的真實(shí)響應(yīng)，由響應(yīng)值計算結(jié)構(gòu)的總損傷，但這在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段是無法完成的，在結(jié)構(gòu)運(yùn)行階段也因存儲量過大、傳感器耐久性等原因而難以實(shí)現(xiàn)。本文采用簡單相加法、等幅荷載法和直接公式法開展海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷對比評估，以期為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支持。

一、簡單相加法

計算不同荷載單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞損傷，取二者損傷之和作為聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)總損傷。該方法操作簡單，具有一定的參考價值，但理論上存在缺陷，計算結(jié)果較真實(shí)結(jié)果偏小，易造成安全隱患。

二、等幅荷載法

對兩種荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力幅值進(jìn)行疊加，根據(jù)疊加后的應(yīng)力幅值計算總疲勞損傷，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，D為結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞時總損傷量；A、m為所用S-N曲線的兩個參數(shù)；ni為結(jié)構(gòu)在應(yīng)力范圍Si交變應(yīng)力作用下實(shí)際循環(huán)次數(shù)；Si為第i個荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍幅值。

式中，D1為高頻響應(yīng)的疲勞損傷；D2為低頻響應(yīng)的疲勞損傷；v1為高頻響應(yīng)的平均跨零率；v2為低頻響應(yīng)的平均跨零率。

等幅荷載法適用于確定性荷載引起的疲勞損傷分析，且計算結(jié)果較真實(shí)結(jié)果偏大，偏于保守。本文將波浪荷載引起的疲勞損傷轉(zhuǎn)化為確定性等效波浪荷載引起的疲勞損傷，等效波浪荷載的周期采用波浪長期分布的平均周期，將波浪等效荷載與塔筒底部等效風(fēng)電機(jī)組荷載進(jìn)行聯(lián)合作用分析。

三、直接公式法

采用窄帶高斯響應(yīng)過程疲勞損傷計算公式進(jìn)行總疲勞損傷計算：

式中，Dz為聯(lián)合響應(yīng)的疲勞損傷。

直接公式法適用于窄帶隨機(jī)荷載聯(lián)合作用引起的疲勞損傷分析，計算中將隨機(jī)荷載分布等效成高斯分布。由于風(fēng)荷載長期分布服從威布爾分布，其計算結(jié)果與真實(shí)結(jié)果雖存在偏差，但偏差不大。因此，本文將塔筒底部等效風(fēng)電機(jī)組荷載轉(zhuǎn)化為服從高斯分布的塔筒底部隨機(jī)荷載，結(jié)合波浪隨機(jī)荷載進(jìn)行聯(lián)合作用分析。

典型管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷分析

一、分析流程

本文用確定性方法分析風(fēng)電機(jī)組上部等效荷載引起的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷，用譜分析方法分析由波浪荷載引起的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷，并計算上部等效荷載與波浪荷載聯(lián)合作用下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷，流程圖如圖1所示。

二、建立有限元模型

風(fēng)電機(jī)組三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件連接處是應(yīng)力集中區(qū)域，本文將上斜撐與主筒體交接處、斜撐與樁套管連接處、水平撐與主筒體連接處設(shè)置為熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)注位置，如圖2所示，其熱點(diǎn)應(yīng)力采用應(yīng)力集中系數(shù)SCF和名義應(yīng)力的乘積來計算，應(yīng)力集中系數(shù)根據(jù)Efthymiou公式計算得到，并參照DNV規(guī)范設(shè)置最小應(yīng)力集中系數(shù)為1.5。

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在服役期間，表面通常會有海洋生物附著，影響風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布與受力，本文基于DNV規(guī)范確定海生物附著的厚度、密度和糙率等參數(shù)。

風(fēng)電機(jī)組上部荷載或波浪荷載單獨(dú)作用引起的疲勞損傷

一、 風(fēng)電機(jī)組上部荷載引起的疲勞損傷

風(fēng)電機(jī)組上部結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載及內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)等多方面聯(lián)合作用，傳遞至基礎(chǔ)法蘭面處的應(yīng)力歷時過程相當(dāng)復(fù)雜，在本文中，風(fēng)電機(jī)組上部荷載主要以塔筒底部等效荷載為主，通過雨流計數(shù)法將基礎(chǔ)法蘭面處荷載等效成多級交變荷載，每一級荷載可用正弦荷載等效，等效周期為荷載歷時過程的平均周期。

圖1 風(fēng)電機(jī)組疲勞分析流程圖

圖2 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)域示意圖

圖3 年疲勞損傷值時間變化曲線（風(fēng)電機(jī)組上部荷載引起）

基于風(fēng)電機(jī)組塔筒底部各級等效荷載，采用S-N曲線和Miner線性累積疲勞損傷準(zhǔn)則，并考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)腐蝕狀況，計算得到熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)注位置處塔筒底部等效荷載引起的疲勞損傷平均期望隨時間變化情況。由圖3可見，②位置疲勞損傷最為嚴(yán)重，①位置疲勞損傷次之，③位置疲勞損傷最輕；同一位置處年疲勞損傷值隨腐蝕程度加劇呈現(xiàn)非線性增加變化趨勢，抗疲勞性能下降。

二、波浪荷載引發(fā)的疲勞損傷

波浪主要是由風(fēng)作用引起的，具有時間和空間的隨機(jī)性。為了研究過程中描述方便，一般采用波浪譜形式，波浪譜主要有JONSWAP譜、P-M譜、布氏譜等，本文基于DNVGL規(guī)范采用JONSWAP譜。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由波浪荷載產(chǎn)生的疲勞損傷是長期歷時產(chǎn)生的損傷，故采用波浪的長期分布。在設(shè)計壽命期內(nèi)對疲勞損傷產(chǎn)生貢獻(xiàn)的主要是出現(xiàn)頻率高的波浪，本次計算根據(jù)工程場區(qū)所在海域的年統(tǒng)計波浪要素，得到如圖4和圖5的JONSWAP譜，由圖可知，各海況波浪能量主要集中在角頻率0.6～9.15rad/s范圍內(nèi)。

波浪荷載導(dǎo)致的典型管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷采用譜分析法，通過ASAS軟件進(jìn)行計算，分析中根據(jù)DNV規(guī)范考慮疲勞修正，并依據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)腐蝕情況，得出波浪荷載引起的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)位置疲勞損傷平均期望隨時間的變化趨勢，計算結(jié)果見圖6。

由圖6可知，②位置疲勞損傷最為嚴(yán)重，③位置疲勞損傷次之，①位置疲勞損傷最輕；同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加劇而增加，抗疲勞性能下降。

三、 聯(lián)合作用下風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的疲勞損傷

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營過程中受到風(fēng)電機(jī)組上部荷載和波浪荷載的聯(lián)合作用，其疲勞損傷亦是塔筒底部等效荷載和波浪荷載聯(lián)合作用的結(jié)果；在已知塔筒底部等效荷載和波浪荷載引起的疲勞損傷的基礎(chǔ)上，采用簡單相加法、等幅荷載法、直接公式法，對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行聯(lián)合荷載作用下的疲勞損傷分析，并對其結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7所示。

由圖7可見，無論是哪種組合方法，②位置疲勞損傷最為嚴(yán)重，①、③位置疲勞損傷相差不大；同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加劇而增加，抗疲勞性能下降；等幅疊加法的計算結(jié)果最大、直接公式法次之、簡單相加法最小。

簡單相加法忽略了荷載時間上的同步性，僅將各荷載引起的損傷簡單相加，計算結(jié)果較小，易造成抗疲勞性能的高估；等幅疊加法忽略了聯(lián)合荷載作用下應(yīng)力過程的復(fù)雜性，僅單純對應(yīng)力幅值進(jìn)行疊加，忽略了荷載周期和相位的影響，計算結(jié)果較大，易造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)；直接公式法從譜分析入手疊加應(yīng)力譜，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)總疲勞損傷，理論上計算結(jié)果更為精確，偏差僅取決于實(shí)際應(yīng)力分布與高斯分布的差別。本工程風(fēng)電機(jī)組荷載和波浪荷載的本質(zhì)均為隨機(jī)荷載，引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與高斯分布相差不大，因此直接公式法的計算結(jié)果更為合適。

圖4 Hs=0.7m、Tz=1.55s時的JONSWAP譜

圖5 Hs=0.7m、Tz=4.55s時的JONSWAP譜

圖6 年疲勞損傷值時間變化曲線（波浪荷載引起）

由圖7還可以看出，對于直接公式法，疲勞損傷最為嚴(yán)重的②位置在聯(lián)合荷載作用下受海洋腐蝕影響較為明顯，年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加深而加劇，管節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能隨之降低；通過上述疲勞損傷歷時曲線，可以預(yù)測出其疲勞壽命為27.1年，超過風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計壽命25年，滿足設(shè)計要求。

圖7 聯(lián)合作用下年疲勞損傷值時間變化曲線

攝影：李新星

結(jié)論

本文以江蘇海域某實(shí)際海上風(fēng)電項(xiàng)目三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)為例開展疲勞分析方法研究，在計算得到風(fēng)電機(jī)組上部荷載及波浪荷載單獨(dú)作用下的年疲勞損傷值的基礎(chǔ)上，研究不同組合方法對聯(lián)合荷載作用下年疲勞損傷值的影響，并得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)電機(jī)組上部荷載或波浪荷載單獨(dú)作用及兩者聯(lián)合作用下，均為樁套管與撐桿連接處的疲勞損傷最嚴(yán)重。

（2）風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷受海洋腐蝕影響較為明顯，同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加深而加劇，管節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能隨之降低。

（3）對于本示例海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析，直接公式法的計算結(jié)果更為合適，計算得到本示例海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞壽命為27.1年，超過設(shè)計壽命期25年，滿足設(shè)計要求。