第一作者郝二通男，博士生，1987年生

通信作者柳英洲男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1964年生

海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)受船舶撞擊的數(shù)值研究

郝二通1，柳英洲2，柳春光1

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連116024; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新123000)

摘要：目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有海上風(fēng)機(jī)受船舶撞擊的相關(guān)規(guī)范和損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，以國(guó)內(nèi)某單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)為例，運(yùn)用LS-DYNA軟件從能量變化、最大撞擊力和風(fēng)機(jī)響應(yīng)角度對(duì)風(fēng)機(jī)受船舶撞擊過(guò)程進(jìn)了分析，并提出面積受損率來(lái)評(píng)估風(fēng)機(jī)受損程度。分析結(jié)果顯示：船舶初始動(dòng)能在分別不超過(guò)約35 MJ、35 MJ、25 MJ時(shí)，最大撞擊力與船舶質(zhì)量的1/3次方、速度、撞擊角度的正弦值成線性關(guān)系，超過(guò)時(shí)線性關(guān)系不再明顯；面積受損率能合理反映單樁基礎(chǔ)的受損區(qū)域和受損面積。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)機(jī)；單樁基礎(chǔ)；撞擊力；面積受損率；數(shù)值仿真

收稿日期：2013-12-11修改稿收到日期：2014-01-21

中圖分類(lèi)號(hào):TU473.1；TM614文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Numerical simulation of monopile foundation of an offshore wind turbine subjected to ship impact

HAOEr-tong1,LIUYing-zhou2,LIUChun-guang1(1. Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. College of Civil Engineering & Architecture, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Abstract:There are no relevant specification and damage assessment criterion of offshore wind turbine subjected to ship impact in our country now. Here, taking a domestic offshore wind turbine with monopile foundation as an example, the process of the offshore wind turbine stricken by a ship was analyzed by using LS-DYNA in perspectives of energy variation, the maximum collision-force and the response of the offshore wind turbine. The area damage rate was proposed to assess the damage level of the offshore wind turbine. Results showed that the maximum collision-force increases linearly with increase in one-third power of ship mass, velocity and sine of ship collision angle if the initial kinetic energy of the ship is no more than about 35 MJ, 35 MJ and 25 MJ, respectively; the linear relationship is not obvious other wise; the area damage rate can reasonably reflect the damaged field and its area of the monopile foundation.

Key words:offshore wind turbine; monopile foundation; collision-force; area damage rate; numerical simulation

自從1991年丹麥Vindeby海上風(fēng)電場(chǎng)建立以來(lái)，海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，截止2012年底，全球已建海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)5 117 MW，其中我國(guó)占389.6 MW，僅次于英國(guó)(2 948 MW)和丹麥(921 MW)。加之海上航線變密，船舶與海上風(fēng)電機(jī)組(簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)機(jī))發(fā)生碰撞概率也隨之增加，因此進(jìn)行船舶與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)碰撞研究對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和安全評(píng)測(cè)非常重要。

由于我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展起步時(shí)間較晚，國(guó)內(nèi)對(duì)船舶與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)碰撞的研究較少。李艷貞等[1]將船體看作剛體，考慮船速影響，對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的抗撞性能進(jìn)行了數(shù)值碰撞分析；Dalhoff和Biehl[2-4]建立雙層殼油輪、單層殼油輪、集裝箱船和散貨船的船側(cè)模型，分別與單樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)及重力式基礎(chǔ)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了側(cè)面碰撞分析，并從結(jié)構(gòu)的屈曲和穩(wěn)定性方面得出單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)安全性最高；Kroondijk[5]選用16萬(wàn)噸油船，分別在滿載和空載情況下與風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的管連接點(diǎn)和管腿位置進(jìn)行了數(shù)值碰撞，描述了導(dǎo)管架基礎(chǔ)的局部屈曲破壞和整體破壞情況。目前國(guó)內(nèi)外已建海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)形式有：?jiǎn)螛痘A(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、承臺(tái)式基礎(chǔ)等，其中單樁基礎(chǔ)占65%以上[6]，針對(duì)國(guó)內(nèi)并沒(méi)有風(fēng)機(jī)受到撞擊的相關(guān)規(guī)范以及損傷評(píng)估的問(wèn)題，以國(guó)內(nèi)某海上風(fēng)機(jī)場(chǎng)單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案為例，采用不同噸位、不同速度的船舶分別與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了正撞和偏撞，并從能量、撞擊力、基礎(chǔ)受損及風(fēng)機(jī)響應(yīng)方面進(jìn)行了分析和討論。

1工程概況

國(guó)內(nèi)某近海風(fēng)電場(chǎng)[7]，占海域面積14 km2，布置有34臺(tái)單機(jī)3 MW的風(fēng)電機(jī)，裝機(jī)容量102 MW。風(fēng)電場(chǎng)海域水深9.9 m～11.9 m，考慮海床局部沖刷后的水深在15 m左右，基礎(chǔ)選用設(shè)計(jì)方案其中之一的單樁基礎(chǔ)，包括鋼管樁和鋼管過(guò)渡連接段，樁徑4.8 m，壁厚45 mm，樁長(zhǎng)53 m,樁基入土深度41 m，樁尖進(jìn)入海底粉細(xì)砂層中，裝頂露出水面2 m～3 m，基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)塔架之間過(guò)渡連接段為變直徑鋼管，長(zhǎng)7.77 m。3 MW風(fēng)電機(jī)由塔身(上、中、下塔筒)、機(jī)艙、輪轂、風(fēng)葉及電器系統(tǒng)組成，具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。風(fēng)電場(chǎng)海域西側(cè)為某跨海大橋，設(shè)有1 000 t、500 t通航孔，其中1 000 t通航孔穿過(guò)風(fēng)電場(chǎng)。根據(jù)實(shí)際海域過(guò)往船舶噸位和航行速度，選用500 t、1 000 t、2 000 t、3 000 t的船舶分別按2 m/s、4 m/s、6 m/s與風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)進(jìn)行正撞和偏撞數(shù)值模擬。

2數(shù)值計(jì)算模型

2.1材料本構(gòu)模型

(1)

式中:σs為靜態(tài)極限屈服應(yīng)力；C和P為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。

船艏、單樁基礎(chǔ)及風(fēng)機(jī)塔身材料均為低碳鋼，在碰撞過(guò)程中材料應(yīng)變率很大，所以碰撞分析中必須考慮材料應(yīng)變率的影響。LS-DYNA提供的非線性塑性材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[10])能夠很好地模擬沖擊荷載下的金屬材料，該模型就是在Cowper-Symonds關(guān)系式基礎(chǔ)上建立的，其表達(dá)式為：

(2)

考慮到遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的部件不參與碰撞，為了提高計(jì)算效率，船身和船尾用剛體(*MAT_RIGID[10])來(lái)模擬，風(fēng)機(jī)的葉片、輪轂、機(jī)艙通過(guò)在塔架頂施加集中質(zhì)量來(lái)代替。

表1　各部件材料參數(shù)

2.2有限元模型

2.2.1船體有限元模型

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)海域?qū)嶋H情況，選用載重量為1000 t的散貨船，船艏型式為飛剪型，其尺寸主要參數(shù)見(jiàn)表2。碰撞中船舶主要分為碰撞部位(船艏)、非碰撞部位(船身和船尾)兩部分。船艏結(jié)構(gòu)包括各層甲板、艙壁等，均通過(guò)殼單元來(lái)模擬，單元厚度為20 mm，單元尺寸為0.25 m，其有限元模型見(jiàn)圖1；船身和船尾用剛體材料通過(guò)實(shí)體單元來(lái)模擬，單元尺寸超過(guò)了1 m，通過(guò)改變船身和船尾密度來(lái)控制船體重心和質(zhì)量。

表2　船舶主尺度參數(shù)表

船體在碰撞前的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，船體結(jié)構(gòu)和水相互作用必須考慮，一般通過(guò)流固耦合模型和附加質(zhì)量模型[11]來(lái)解決，考慮到流固耦合模型將使CPU時(shí)間劇增以及主要研究目的，而且附加質(zhì)量法也得到了很多學(xué)者[12-13]驗(yàn)證和認(rèn)可，船體結(jié)構(gòu)和水相互作用選用附加質(zhì)量法，附加質(zhì)量取船體質(zhì)量的0.05[14]倍。

圖1　船艏有限元模型(局部剖視) Fig.1 FEM model of bow (Perspective)

2.2.2單樁基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)有限元模型

圖2　單樁基礎(chǔ)和 風(fēng)機(jī)有限元模型 Fig.2 FEM model of monopile foundation and offshore wind turbine

船與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)撞擊過(guò)程中，樁土相互作用方法[15]包括等效樁長(zhǎng)法、m法以及非線性抗力位移法。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，樁土相互作用選用較成熟的m法進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，即樁在海床局部沖刷面下17.4 m處固接處理。鋼管樁、過(guò)渡段、風(fēng)機(jī)塔身之間固接連接，碰撞區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，尺寸為0.25 m，其余部分為1 m，塔架頂施加葉片、輪轂、機(jī)艙的總質(zhì)量，單樁基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)有限元模型見(jiàn)圖2。

2.2.3接觸定義

為了保證船艏和鋼管樁不發(fā)生初始接觸，船艏前端與鋼管樁邊緣留出0.6 m的間距。船艏與鋼管樁接觸選用LS-DYNA提供的自動(dòng)面面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE[10])，船艏自身接觸為自動(dòng)單面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE[10])，由于接觸材料均為鋼材，動(dòng)靜摩擦系數(shù)取0.2[17]。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1能量分析

為了保證有限元模型的合理性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性， 首先從能量角度進(jìn)行碰撞分析。船與風(fēng)機(jī)碰撞過(guò)程

中，船舶初始動(dòng)能(包括附連水)轉(zhuǎn)化為撞擊船與樁基的彈塑性變形能、船舶的剩余動(dòng)能(包括附連水)、樁基和風(fēng)機(jī)的動(dòng)能、碰撞摩擦產(chǎn)生的滑移能[18]及計(jì)算過(guò)程中由于沙漏現(xiàn)象損失的沙漏能[18]；碰撞結(jié)束后，風(fēng)機(jī)和樁基在自身阻尼和外界阻尼作用下振動(dòng)，由于外界阻尼復(fù)雜且不影響研究目的，結(jié)構(gòu)僅考慮了自身阻尼(C=a0M，a0=2ξ/ω，ξ為結(jié)構(gòu)阻尼比，鋼結(jié)構(gòu)一般取0.02，ω為結(jié)構(gòu)基頻，經(jīng)計(jì)算得0.233 58)。圖3是初始動(dòng)能為4.2 MJ、8.4 MJ、16.8 MJ、25.2 MJ船舶與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)碰撞的能量變化曲線，圖中沙漏能與總能之比均低于1%且能量守恒，說(shuō)明有限元模型合理及計(jì)算結(jié)果正確；當(dāng)碰撞系統(tǒng)的動(dòng)能達(dá)到最低時(shí)，即碰撞結(jié)束的最后一刻，由圖3中(a)、(b)、(c)、(d)對(duì)比可知碰撞結(jié)束的時(shí)刻隨初始動(dòng)能增加在后移，即碰撞持續(xù)時(shí)間在增加，但均不超過(guò)1.5 s，同時(shí)碰撞持續(xù)時(shí)間的增加也造成摩擦產(chǎn)生的滑移能在相應(yīng)增加；隨后動(dòng)能曲線得到了迅速回升，即船舶在碰撞結(jié)束后發(fā)生了回彈，從動(dòng)能回彈與初始動(dòng)能的百分比(31.58%、22.80%、10.79%、9.72%)可知，隨著初始動(dòng)能的增加，碰撞逐漸由彈性碰撞向塑性碰撞過(guò)渡，主要原因是結(jié)構(gòu)的塑性變形量在增加；當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)能回彈后達(dá)到峰值時(shí)，此時(shí)動(dòng)能主要由船舶、風(fēng)機(jī)和樁基振動(dòng)產(chǎn)生；之后風(fēng)機(jī)和樁基振動(dòng)在阻尼作用下逐漸衰減，從動(dòng)能振蕩情況看出，振蕩幅值隨著初始動(dòng)能增加在明顯減小，動(dòng)能減小至零的時(shí)間段也在縮短，主要由于初始動(dòng)能較小(4.2 MJ)時(shí)的碰撞持續(xù)時(shí)間很短(約0.6 s)，為彈性碰撞，碰撞后風(fēng)機(jī)動(dòng)能振蕩明顯，隨著初始動(dòng)能增大，碰撞持續(xù)時(shí)間增加造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)減弱，動(dòng)能振蕩也相應(yīng)減弱，同時(shí)樁基塑性變形增加，屈曲面積增大，結(jié)構(gòu)剛度減小，結(jié)構(gòu)周期變長(zhǎng)，耗能增加，動(dòng)能減小速度也相應(yīng)加快。

圖3　船舶與風(fēng)機(jī)碰撞能量變化曲線 Fig.3 Energy curve of ship-offshore wind turbine collision

3.2撞擊力分析

3.2.1質(zhì)量對(duì)撞擊力影響

圖4為不同質(zhì)量船舶(500 t、1 000 t、2 000 t、3 000 t)在一定速度下的正撞撞擊力曲線，每條曲線均標(biāo)注了最大撞擊力的大小和時(shí)間。曲線開(kāi)始階段，結(jié)構(gòu)碰撞屬于彈性碰撞，不同噸位船舶的撞擊力曲線基本重合，具有一定線性特征；隨后曲線出現(xiàn)了很強(qiáng)的非線性波動(dòng)特征，撞擊力每一次峰值的卸載主要由于船艏構(gòu)件和樁基的受損或失效，最大撞擊力也隨船舶噸位增大明顯增加；從撞擊力持續(xù)時(shí)間角度來(lái)觀察可知，質(zhì)量增加明顯提高了撞擊持續(xù)時(shí)間，例如，初始動(dòng)能相同的情況下，船舶甲(m=2 000 t、v=2 m/s )和船舶乙(m=500 t、v=4 m/s)與鋼管樁的撞擊力持續(xù)時(shí)間有著明顯的提高(1.15 s和0.63 s)，而撞擊力卻相差不大(7.79 MN和7.59 MN)。

為了更好地分析最大撞擊力與船舶質(zhì)量關(guān)系，將最大撞擊力與船舶質(zhì)量進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)最大撞擊力與船舶質(zhì)量的1/3次方具有較好的線性關(guān)系(線性關(guān)系優(yōu)于質(zhì)量的平方根)，見(jiàn)圖5，這與挪威公共道路局規(guī)定[19]一致，但從圖5中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船舶初始動(dòng)能超過(guò)35 MJ，撞擊使結(jié)構(gòu)破壞非常嚴(yán)重時(shí)，最大撞擊力與船舶質(zhì)量的1/3次方不再具有線性關(guān)系。

圖4 不同質(zhì)量船舶撞擊力曲線Fig.4Collision-forcecurveofshipwithdifferentquality圖5 最大撞擊力與船舶質(zhì)量關(guān)系Fig.5Relationshipofthemaximumcollision-forceandshipquality

3.2.2速度對(duì)撞擊力影響

圖6為不同速度(2 m/s、4 m/s、6 m/s)船舶的撞擊力曲線，由于船艏與風(fēng)機(jī)鋼管樁之間有一定間距及船速不同造成撞擊力曲線起始點(diǎn)不同，為了能更好觀察和分析撞擊力曲線，將撞擊力曲線起點(diǎn)調(diào)至同一點(diǎn)，并對(duì)最大撞擊力進(jìn)行標(biāo)注。同樣，曲線開(kāi)始階段，結(jié)構(gòu)碰撞屬于彈性碰撞，不同速度船舶的撞擊力曲線基本重合，具有一定線性特征；隨后不同速度船舶的撞擊力曲線迅速分開(kāi)，相比與船舶質(zhì)量不同更加明顯，隨著速度增加，曲線非線性波動(dòng)特征也逐漸顯著；撞擊持續(xù)時(shí)間隨速度提高的增加并不明顯。

為了更好地分析最大撞擊力與船舶速度關(guān)系，將最大撞擊力與船舶速度進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)最大撞擊力與船舶速度具有較好線性關(guān)系(見(jiàn)圖7)，這與國(guó)內(nèi)外橋墩受撞規(guī)范[19-22]規(guī)定一致，但從圖7中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船舶初始動(dòng)能超過(guò)35 MJ以致結(jié)構(gòu)破壞相當(dāng)嚴(yán)重時(shí)，最大撞擊力與船舶速度不再具有明顯的線性關(guān)系。

圖6　不同速度船舶撞擊力曲線 Fig.6 Collision-force curve of ship with different velocity

圖7　最大撞擊力與船舶速度關(guān)系 Fig.7 Relationship of the maximum collision-force and ship velocity

3.2.3撞擊角度對(duì)撞擊力影響

船舶與風(fēng)機(jī)撞擊分為正撞和偏撞，為了研究偏撞與正撞關(guān)系，用船舶速度方向與鋼管樁撞擊點(diǎn)切線方向夾角來(lái)定義撞擊角度(見(jiàn)圖8)。圖9為正撞(90°)、偏2 m撞(66°)、偏4 m撞(42°)下的撞擊力曲線，從圖9中可以看出，最大撞擊力隨著撞擊角度減小而迅速減小；同一質(zhì)量和速度的船舶，撞擊角度對(duì)撞擊持續(xù)時(shí)間影響不大。

圖8　撞擊角度示意圖 Fig.8 Diagram of collision angle

為了更好地分析最大撞擊力與撞擊角度關(guān)系，將最大撞擊力與撞擊角度進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)最大撞擊力與撞擊角度的正弦值具有很好的線性關(guān)系(見(jiàn)圖10)，這與《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[20]相符，但同樣當(dāng)船舶初始動(dòng)能超過(guò)25MJ可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞時(shí)，最大撞擊力與撞擊角度正弦值的線性關(guān)系不再明顯。

3.3單樁基礎(chǔ)受損分析

3.3.1單樁基礎(chǔ)面積受損率

由于單樁基礎(chǔ)在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中占有率非常高，達(dá)65%以上。而其在海上被撞擊后受損程度的定量描述對(duì)工程設(shè)計(jì)者和維修人員很重要， 針對(duì)單樁基礎(chǔ)幾何形狀規(guī)則以及材料區(qū)別于鋼筋混凝土，提出面積受損率δ來(lái)描述風(fēng)機(jī)被撞后單樁基礎(chǔ)的受損程度，公式如下：

圖9　不同撞擊角度下撞擊力曲線 Fig.9 Collision-force curve of ship with different collision angle

(3)

式中:A為碰撞過(guò)程中單樁基礎(chǔ)(鋼管樁和鋼管過(guò)渡連接段)的屈曲總面積，σ為結(jié)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力，σ0為材料的屈服強(qiáng)度，tstart、tend分別為碰撞開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻；At為單樁基礎(chǔ)總面積，本文At為631.979 3 m2。

圖10　最大撞擊力與撞擊角度關(guān)系 Fig.10 Relationship of the maximum collision-force and collision angle

圖11　單樁基礎(chǔ)等效應(yīng)力云圖 Fig.11 Equivalent stress nephogram of monopile

面積受損率能直觀顯示風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受損區(qū)域和受損面積，可以較準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)被撞后的受損程度，有助于工程人員做出經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)防措施和補(bǔ)救措施，圖11為風(fēng)機(jī)遭受速度為4 m/s 的3 000 t船舶撞擊1.15 s時(shí)刻的單樁基礎(chǔ)Von Mises等效應(yīng)力云圖(正視和側(cè)視)，該圖形象的顯示了1.15 s時(shí)刻單樁基礎(chǔ)的受損區(qū)域，通過(guò)計(jì)算整個(gè)受撞過(guò)程的單樁基礎(chǔ)面積受損率，則可評(píng)估其受損程度。

3.3.2面積受損率分析

表3為風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)在不同噸位、不同速度船舶正撞下的面積受損率，可以發(fā)現(xiàn)：相同速度情況下，撞擊后風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)面積受損率隨船舶質(zhì)量增加而提高，且高速提高量比低速提高量大，提高幅度規(guī)律不明顯；相同質(zhì)量的情況下，撞擊后風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)面積受損率隨船舶速度增大而提高；從初始動(dòng)能來(lái)分析，面積受損率隨著初始動(dòng)能增大而提高，且增大速率隨初始動(dòng)能增加而降低，初始動(dòng)能相同時(shí)，面積受損率幾乎一樣(工況3和5)；由于面積受損率與質(zhì)量、速度關(guān)系并不是簡(jiǎn)單線性關(guān)系，所以面積受損率與初始動(dòng)能、質(zhì)量及速度的詳細(xì)關(guān)系需通過(guò)大量數(shù)值模擬及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行討論分析。

表3　各種工況下單樁基礎(chǔ)的面積受損率

3.4風(fēng)機(jī)響應(yīng)分析

3.4.1機(jī)艙加速度響應(yīng)分析

風(fēng)機(jī)塔架頂機(jī)艙、葉片、輪轂等質(zhì)量非常大(本文為177.1 t)，造成風(fēng)機(jī)受撞擊時(shí)或撞擊后機(jī)艙有脫落的危險(xiǎn)，因此，分析機(jī)艙加速度響應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)安全非常重要。

圖12為不同質(zhì)量船舶(速度均為4 m/s)與風(fēng)機(jī)撞擊時(shí)0～2 s內(nèi)機(jī)艙的加速度時(shí)程曲線，由圖可知：隨著船舶質(zhì)量增大，即船舶初始動(dòng)能增加，機(jī)艙加速度響應(yīng)明顯提高，當(dāng)船舶質(zhì)量為3 000 t(初始動(dòng)能為25.2 MJ)時(shí)，機(jī)艙最大加速度值可達(dá)25.176 m/s2，因此，機(jī)艙與塔架連接強(qiáng)度須按過(guò)往船舶噸位和航行速度進(jìn)行碰撞驗(yàn)算。

圖12　機(jī)艙加速度響應(yīng)時(shí)程曲線 Fig.12 Time-history curves of nacelle acceleration

3.4.2塔架變形分析

為分析風(fēng)機(jī)受撞時(shí)塔架的整體性能，圖13給出工況8下風(fēng)機(jī)塔架不同時(shí)刻的位移云圖(彎曲變形放大10倍)，從圖中可以看出船舶撞擊風(fēng)機(jī)的過(guò)程中(0～1.75 s)，塔架彎曲變形并不嚴(yán)重，塔架彎曲變形最大出現(xiàn)在撞擊結(jié)束后塔架的振動(dòng)過(guò)程中，且在3.75 s時(shí)塔頂位移達(dá)到最大值1.58 m。

圖13　不同時(shí)刻塔架位移云圖 Fig.13 Displacement nephogram of tower at different time

因此，塔架材料的選擇非常重要，剛度大則使機(jī)艙加速度過(guò)大，增加了機(jī)艙脫落的危險(xiǎn)性，剛度小則使塔頂位移過(guò)大，影響設(shè)備正常運(yùn)行，除了重視塔架材料外，可以考慮基于犧牲非主體結(jié)構(gòu)形變耗能來(lái)保護(hù)風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)安全的方法，例如在撞擊點(diǎn)安裝防撞裝置。

4結(jié)論

(1)在初始動(dòng)能較小情況下，船舶與風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)撞擊力與船舶質(zhì)量的1/3次方、船舶速度、撞擊角度的正弦值成線性關(guān)系，但是當(dāng)船初始動(dòng)能分別超過(guò)35 MJ、35 MJ、25 MJ時(shí)，撞擊力與船舶質(zhì)量的1/3次方、船舶速度、撞擊角度的正弦值的線性關(guān)系不再明顯，以上為風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)受撞提供了參考。

(2)提出單樁基礎(chǔ)面積受損率來(lái)描述風(fēng)機(jī)被撞后結(jié)構(gòu)的受損程度，通過(guò)計(jì)算可知其能很好的反映單樁基礎(chǔ)的受損區(qū)域和受損面積，為工程人員對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采取經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施提供了依據(jù)。

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