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| 我國海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)防碰撞分析及防護措施探討 |
| （時間:2014-12-11 9:42:37） |
隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，陸上可開發(fā)利用的風(fēng)電場越來越少，而海上風(fēng)電開發(fā)越來越受到重視。海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，長期在海上惡劣的環(huán)境下工作，不可避免會遇到各種碰撞問題。例如，供應(yīng)船與基礎(chǔ)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)墜物到基礎(chǔ)平臺和浮冰對基礎(chǔ)的撞擊等。這些意外事故經(jīng)常使基礎(chǔ)發(fā)生整體彎曲或局部屈曲，結(jié)構(gòu)承載能力降低，直接影響到基礎(chǔ)的安全性和耐久性，甚至可能引起風(fēng)電機組倒塌等災(zāi)難性后果。
根據(jù)Tebbett《最近五年鋼制平臺的修理經(jīng)驗》中對世界上100起需要修理的海洋結(jié)構(gòu)物損傷原因進行分析得到結(jié)果，約25%的海洋結(jié)構(gòu)物損傷是由于碰撞引起的。根據(jù)英國HSE機構(gòu)對海洋平臺的損傷調(diào)查，在海洋平臺發(fā)生損傷的原因調(diào)查中船舶碰撞占11.2%，是主要原因之一。根據(jù)DNV海洋工業(yè)報告，在挪威北海海域從2001年到2011年十年間共發(fā)生船舶與海洋平臺碰撞事故26起，其中6起造成嚴(yán)重后果。
海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)與海洋平臺有著類似的結(jié)構(gòu)形式，但是由于海上風(fēng)電機組處于剛剛起步階段，技術(shù)尚未成熟，對應(yīng)的海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可供參考。本文對海上基礎(chǔ)與船舶碰撞的研究借鑒了海洋平臺碰撞方面的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗�；贏NSYS/LS-DYNA軟件，通過結(jié)構(gòu)模型化及數(shù)值仿真計算，獲得并分析了船橋碰撞力、能量轉(zhuǎn)換、以及風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)的一般規(guī)律和特點，從而為海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計、維護、防撞措施等提供理論上的支持。
船舶與海洋平臺基礎(chǔ)碰撞理論發(fā)展
早在20世紀(jì)60年代，Minorsky在20多個船舶與平臺碰撞事故或者實驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析中，得到了撞擊船的動能損失量與被撞平臺結(jié)構(gòu)損傷之間的線性關(guān)系，并以經(jīng)驗公式的形式給出。MartinJ.Petersen的研究工作也同樣具有代表性，對二維情況下的碰撞運動過程進行了分析。20世紀(jì)70年代，McDermott等人根據(jù)塑性靜力學(xué)的基本理論和方法對游輪與平臺結(jié)構(gòu)的低能碰撞問題作了研究。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，Reckling、Minorsky和Yang等人相繼采用有限元技術(shù)對船舶平臺碰撞問題進行了研究分析。20世紀(jì)90年代，Kawamoto及Che和Jang利用顯示非線性分析程序MSC/DYTRAN對超大型油輪在碰撞中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了數(shù)值模擬分析，采用顯示有限元法(LSDYNA3D)分析撞擊船的船艏和被撞平臺的結(jié)構(gòu)損傷變形，且計算中假設(shè)為剛體碰撞。
總之，隨著對碰撞問題的深入研究和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外在船舶與海洋平臺碰撞問題上的數(shù)值模擬手段越來越多，結(jié)果也越來越可靠。通過對以往案例數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和理論推導(dǎo)，分析結(jié)果在海洋平臺設(shè)計與維護方面也起到了越來越重要的作用。
船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)碰撞模擬方法
一、常用分析方法
由于碰撞區(qū)的變形損傷程度與船舶安全性以及事故后果有直接關(guān)系，因此需要充分重視內(nèi)部碰撞力學(xué)的研究。目前研究內(nèi)部碰撞力學(xué)的方法主要有：統(tǒng)計分析法、試驗法、簡化分析法和有限元法。
(一)統(tǒng)計分析法
統(tǒng)計分析法是將船舶的碰撞問題分為相對獨立的結(jié)構(gòu)損傷和動能損失，研究他們之間的關(guān)系，采用完全非線性理論求解碰撞過程中的動能損失，用附連水質(zhì)量來代替碰撞中水的影響。最后用統(tǒng)計分析方法將損傷體積和動能損失聯(lián)系起來，建立線性關(guān)系。這種依據(jù)大量相似船型的船舶碰撞數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗公式應(yīng)用很方便，但從成本上考慮顯然是不太現(xiàn)實。另外，這種方法進行了很多簡化，精度也不是很高，因此現(xiàn)在應(yīng)用很少。
(二)試驗法
對于比較復(fù)雜的無法用理論模型來表達的問題，往往可以通過試驗獲得比較可靠的結(jié)論。在船舶與海洋平臺碰撞問題上，荷蘭、丹麥、德國、日本等國的學(xué)者都進行了很多模擬碰撞試驗，并總結(jié)出了很多具有參考價值的結(jié)論。
但眾所周知，試驗需要耗費大量的時間和財力，且海洋結(jié)構(gòu)物碰撞問題本身的強非線性特征和碰撞條件的多樣性對試驗結(jié)果在實踐中的應(yīng)用產(chǎn)生很大的局限性，加之海洋結(jié)構(gòu)物的建造非常昂貴，進行此類試驗往往因耗資巨大而難以實施，因此這種方法實施起來難度很大。
(三)解析法
簡化分析方法一般研究的是破壞過程的特點，借助理論公式加以分析計算，從而為設(shè)計者提供整體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計計算工具。這種方法主要基于塑性力學(xué)中的上限理論和一些重要假設(shè)來分析碰撞問題。這些假設(shè)主要來自對碰撞事故和試驗研究的觀察分析。但往往由于它將碰撞中的船舶做了大量簡化處理，所以精度相對較低。
(四)有限元數(shù)值仿真法
數(shù)值仿真法是對船舶真實碰撞場景的虛擬再現(xiàn)，借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過程中的各種物理量都可以作為結(jié)果輸出，可以真實的模擬碰撞現(xiàn)象，部分代替實船或者模型的碰撞試驗，實現(xiàn)“虛擬碰撞”。因此有限元方法是結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)分析的強有力工具，也是研究船舶碰撞問題最為有效的方法。
但是目前在工程應(yīng)用中，由于仿真模型的建立需要一定的知識、經(jīng)驗和處理技巧，模型的計算精度并非總是令人滿意，船舶碰撞非線性有限元法用于實際船舶結(jié)構(gòu)的碰撞分析還沒有完全成熟，數(shù)值仿真法的結(jié)果仍然需要試驗或者其他研究者的計算結(jié)果來檢驗。
二、船舶與海洋平臺碰撞問題的有限元數(shù)值仿真
船舶碰撞的數(shù)值仿真大都采用非線性有限元方法，不僅能夠考慮結(jié)構(gòu)大變形、接觸、材料非線性和結(jié)構(gòu)失效等情況，計算碰撞區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷變形與碰撞力，而且結(jié)合了外部機理的分析與計算。
目前常用的三維非線性動態(tài)響應(yīng)分析程序MSC/Dytran和LS-DYNA等都可以用來模擬碰撞響應(yīng)，利用顯示或隱式方法求解流體-結(jié)構(gòu)的動力學(xué)控制方程，能較好的解決碰撞中的大變形、損傷、接觸、流體動力等問題。
三、本文分析方法
本文采用兩步分析方法對船舶與風(fēng)電機組海上基礎(chǔ)的碰撞進行數(shù)值模擬。
根據(jù)分析經(jīng)驗，擬采用LS-DYNA和ANSYS軟件進行分析。借助ANSYSWorkbench軟件與SolidWorks良好的接口和強大的模型前處理功能，對要分析的船體和風(fēng)電機組基礎(chǔ)進行網(wǎng)格劃分與處理，將生成的有限元模型導(dǎo)入LS-DYNA進行剛體碰撞分析并提取所需結(jié)果。最后將碰撞分析結(jié)果作為輸入條件對風(fēng)電機組基礎(chǔ)局部詳細(xì)模型進行分析，得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損傷。
船舶和風(fēng)電機組基礎(chǔ)碰撞有限元分析
一、海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型
根據(jù)某風(fēng)電機組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，建立六樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型。每個基礎(chǔ)有6根鋼管樁，結(jié)構(gòu)底面直徑為24m;鋼管樁采用Q345C型鋼材，導(dǎo)管架鋼材為Q345D型，如圖1所示。
假設(shè)撞擊船為5000噸級，簡化后型長20m，型寬16m，型深15m，吃水線5m。計算模型碰撞區(qū)域采用殼單元建模，對艏尖艙之后的船體，因其遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域，實際并不產(chǎn)生變形，僅提供剛度和質(zhì)量影響，故將其省略。
二、有限元模型
根據(jù)簡化的幾何模型建立有限元模型，為減少計算時間和保證結(jié)果精度，本項目中基礎(chǔ)和船體都采用殼單元SHELL163單元建模;并對所關(guān)心的碰撞區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，得到整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2和圖3所示。
三、接觸算法
碰撞構(gòu)件之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動。
本文使用的是主從面接觸算法，在求解的每一時間步長，檢查從屬節(jié)點的位置坐標(biāo)，看它是否已經(jīng)穿透主面，如果還沒有穿透，則計算工作不受影響地繼續(xù)進行;如果已經(jīng)穿透，則在垂直于主面的方向上施加一個作用力，以阻止從屬節(jié)點的進一步穿透，這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側(cè)的單元屬性。
四、分析工況
本項目模擬了多種船艏與基礎(chǔ)碰撞的工況，并根據(jù)計算結(jié)果總結(jié)規(guī)律，得到分析船與風(fēng)電機組基礎(chǔ)碰撞的一般規(guī)律。
(一)約束條件
對風(fēng)電機組基礎(chǔ)鋼管樁底部位置進行全約束;為保證船艏運動方向，約束船艏沿豎直方向的自由度。
(二)分析工況
本項目中根據(jù)船舶的初始速度大小和方向，分別計算了多種工況的碰撞分析。
五、碰撞分析結(jié)果
所有分析工況下，分析結(jié)果列表如表2所示。從以上分析可以看出，結(jié)構(gòu)吸能、等效應(yīng)力、塑性變形參量隨著船初始動能的增加而增加，但是會由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低，這三個參數(shù)是衡量風(fēng)電機組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標(biāo)。因此，在風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計中可以通過設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，有效降低由于船舶等結(jié)構(gòu)碰撞對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響。
六、防護措施
根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生船舶與平臺碰撞的過程中，運維船只是造成碰撞的主要因素，所以對于海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)來說，必須充分考慮運維船只對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來的破壞性影響;通過以上的分析也可以看到，采取了一定的防護措施后，基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)受到的作用力會大大減小，可以減少船舶對支撐結(jié)構(gòu)的損壞。目前可用的方法有：在靠船的過程中，船舶逆流靠近基礎(chǔ)平臺;增加橡膠、輪胎等緩沖裝置，減少運維船只撞擊力;在基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置、靠船件，減少船舶對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的直接沖擊力等。
結(jié)論
從上面的分析結(jié)果可以得到船與風(fēng)電機組基礎(chǔ)碰撞后的響應(yīng)，包括風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計所關(guān)心的應(yīng)力、應(yīng)變、加速度、能量等參數(shù)的變化。通過對這些結(jié)果參數(shù)的分析比較，
可以得到初步結(jié)論如下：
船-風(fēng)電機組基礎(chǔ)碰撞的力學(xué)過程和結(jié)構(gòu)損傷可以用ANSYS/LS_DYNA軟件詳細(xì)模擬，數(shù)值計算結(jié)果可以作為風(fēng)電機組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估的有效依據(jù)。
結(jié)構(gòu)吸能、等效應(yīng)力、塑性變形參量隨著船初始動能的增加而增加，但是會由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低，這三個參數(shù)是衡量風(fēng)電機組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標(biāo)。因此，在風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計中可以通過設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，有效降低由于船舶等結(jié)構(gòu)碰撞對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響。
從碰撞分析中還可以提出其他計算結(jié)果(如碰撞力、碰撞后速度、加速度等參數(shù)曲線)，作為局部結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析的輸入條件，可以對基礎(chǔ)或者船只結(jié)構(gòu)強度進行評估。
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