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海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)防碰撞分析及防護(hù)措施探討

瀏覽量:3942  發(fā)布時(shí)間:2015-09-22

  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(chǎng)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(jī)組基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施,長(zhǎng)期在海上惡劣的環(huán)境下工作,不可避免會(huì)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(tái)和浮冰對(duì)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(jī)組倒塌等災(zāi)難性后果。

  根據(jù)Tebbett《最近五年鋼制平臺(tái)的修理經(jīng)驗(yàn)》中對(duì)世界上100起需要修理的海洋結(jié)構(gòu)物損傷原因進(jìn)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(guó)HSE機(jī)構(gòu)對(duì)海洋平臺(tái)的損傷調(diào)查,在海洋平臺(tái)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(bào)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(tái)碰撞事故26起,其中6起造成嚴(yán)重后果。
  海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)與海洋平臺(tái)有著類似的結(jié)構(gòu)形式,但是由于海上風(fēng)電機(jī)組處于剛剛起步階段,技術(shù)尚未成熟,對(duì)應(yīng)的海上風(fēng)電機(jī)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(duì)海上基礎(chǔ)與船舶碰撞的研究借鑒了海洋平臺(tái)碰撞方面的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)。基于ANSYS/LS-DYNA軟件,通過結(jié)構(gòu)模型化及數(shù)值仿真計(jì)算,獲得并分析了船橋碰撞力、能量轉(zhuǎn)換、以及風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)的一般規(guī)律和特點(diǎn),從而為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、維護(hù)、防撞措施等提供理論上的支持。
  船舶與海洋平臺(tái)基礎(chǔ)碰撞理論發(fā)展
  早在20世紀(jì)60年代,Minorsky在20多個(gè)船舶與平臺(tái)碰撞事故或者實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析中,得到了撞擊船的動(dòng)能損失量與被撞平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷之間的線性關(guān)系,并以經(jīng)驗(yàn)公式的形式給出。MartinJ.Petersen的研究工作也同樣具有代表性,對(duì)二維情況下的碰撞運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)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(duì)游輪與平臺(tái)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(duì)船舶平臺(tái)碰撞問題進(jìn)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(duì)超大型油輪在碰撞中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)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(tái)的結(jié)構(gòu)損傷變形,且計(jì)算中假設(shè)為剛體碰撞。
  總之,隨著對(duì)碰撞問題的深入研究和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)外在船舶與海洋平臺(tái)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(duì)以往案例數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和理論推導(dǎo),分析結(jié)果在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)與維護(hù)方面也起到了越來越重要的作用。
  船舶與海洋平臺(tái)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?jī)?nèi)部碰撞力學(xué)的方法主要有:統(tǒng)計(jì)分析法、試驗(yàn)法、簡(jiǎn)化分析法和有限元法。
  (一)統(tǒng)計(jì)分析法
  統(tǒng)計(jì)分析法是將船舶的碰撞問題分為相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)損傷和動(dòng)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(dòng)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(jì)分析方法將損傷體積和動(dòng)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(yàn)公式應(yīng)用很方便,但從成本上考慮顯然是不太現(xiàn)實(shí)。另外,這種方法進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化,精度也不是很高,因此現(xiàn)在應(yīng)用很少。
  (二)試驗(yàn)法
  對(duì)于比較復(fù)雜的無法用理論模型來表達(dá)的問題,往往可以通過試驗(yàn)獲得比較可靠的結(jié)論。在船舶與海洋平臺(tái)碰撞問題上,荷蘭、丹麥、德國(guó)、日本等國(guó)的學(xué)者都進(jìn)行了很多模擬碰撞試驗(yàn),并總結(jié)出了很多具有參考價(jià)值的結(jié)論。
  但眾所周知,試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力,且海洋結(jié)構(gòu)物碰撞問題本身的強(qiáng)非線性特征和碰撞條件的多樣性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果在實(shí)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(jìn)行此類試驗(yàn)往往因耗資巨大而難以實(shí)施,因此這種方法實(shí)施起來難度很大。
  (三)解析法
  簡(jiǎn)化分析方法一般研究的是破壞過程的特點(diǎn),借助理論公式加以分析計(jì)算,從而為設(shè)計(jì)者提供整體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)碰撞事故和試驗(yàn)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(jiǎn)化處理,所以精度相對(duì)較低。
  (四)有限元數(shù)值仿真法
  數(shù)值仿真法是對(duì)船舶真實(shí)碰撞場(chǎng)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(shí)的模擬碰撞現(xiàn)象,部分代替實(shí)船或者模型的碰撞試驗(yàn),實(shí)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(qiáng)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(shí)、經(jīng)驗(yàn)和處理技巧,模型的計(jì)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(shí)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(yàn)或者其他研究者的計(jì)算結(jié)果來檢驗(yàn)。
  二、 船舶與海洋平臺(tái)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(jì)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(jī)理的分析與計(jì)算。
  目前常用的三維非線性動(dòng)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(dòng)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(dòng)力等問題。
  三、 本文分析方法
  本文采用兩步分析方法對(duì)船舶與風(fēng)電機(jī)組海上基礎(chǔ)的碰撞進(jìn)行數(shù)值模擬。
  根據(jù)分析經(jīng)驗(yàn),擬采用LS-DYNA和ANSYS軟件進(jìn)行分析。借助ANSYSWorkbench軟件與SolidWorks良好的接口和強(qiáng)大的模型前處理功能,對(duì)要分析的船體和風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)格劃分與處理,將生成的有限元模型導(dǎo)入LS-DYNA進(jìn)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(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)局部詳細(xì)模型進(jìn)行分析,得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損傷。
  船舶和風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞有限元分析
  一、 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型
  根據(jù)某風(fēng)電機(jī)組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,建立六樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型。每個(gè)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(jí),簡(jiǎn)化后型長(zhǎng)20m,型寬16m,型深15m,吃水線5m。計(jì)算模型碰撞區(qū)域采用殼單元建模,對(duì)艏尖艙之后的船體,因其遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域,實(shí)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(jiǎn)化的幾何模型建立有限元模型,為減少計(jì)算時(shí)間和保證結(jié)果精度,本項(xiàng)目中基礎(chǔ)和船體都采用殼單元SHELL163單元建模;并對(duì)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(dòng)。
  本文使用的是主從面接觸算法,在求解的每一時(shí)間步長(zhǎng),檢查從屬節(jié)點(diǎn)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(jì)算工作不受影響地繼續(xù)進(jìn)行;如果已經(jīng)穿透,則在垂直于主面的方向上施加一個(gè)作用力,以阻止從屬節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步穿透,這個(gè)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(xiàng)目模擬了多種船艏與基礎(chǔ)碰撞的工況,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果總結(jié)規(guī)律,得到分析船與風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞的一般規(guī)律。
  (一)約束條件
  對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)鋼管樁底部位置進(jìn)行全約束;為保證船艏運(yùn)動(dòng)方向,約束船艏沿豎直方向的自由度。
  (二)分析工況
  本項(xiàng)目中根據(jù)船舶的初始速度大小和方向,分別計(jì)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(dòng)能的增加而增加,但是會(huì)由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低,這三個(gè)參數(shù)是衡量風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標(biāo)。因此,在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成的影響。
  六、 防護(hù)措施
  根據(jù)研究發(fā)現(xiàn),發(fā)生船舶與平臺(tái)碰撞的過程中,運(yùn)維船只是造成碰撞的主要因素,所以對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)來說,必須充分考慮運(yùn)維船只對(duì)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(hù)措施后,基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)受到的作用力會(huì)大大減小,可以減少船舶對(duì)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(tái);增加橡膠、輪胎等緩沖裝置,減少運(yùn)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(duì)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(jī)組基礎(chǔ)碰撞后的響應(yīng),包括風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)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(jì)算結(jié)果可以作為風(fēng)電機(jī)組海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)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(dòng)能的增加而增加,但是會(huì)由于防撞設(shè)施的設(shè)置而有效降低,這三個(gè)參數(shù)是衡量風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)抵抗撞擊性能的重要指標(biāo)。因此,在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(duì)基礎(chǔ)或者船只結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。


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