王凱， 劉天輝， 萬(wàn)遠(yuǎn)琛， 施偉

(1.中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082； 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519082； 3.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染、溫室氣體排放和氣候變化等問(wèn)題,許多國(guó)家都在調(diào)整能源發(fā)展戰(zhàn)略,煤電投資熱度持續(xù)降溫,加快可再生能源的開(kāi)發(fā)利用已成為目前世界各國(guó)的普遍共識(shí)。新世紀(jì)以來(lái)，風(fēng)能發(fā)電在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，并在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。風(fēng)能發(fā)電可以按照其安裝的位置分為陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電。相對(duì)陸上風(fēng)電, 海上風(fēng)電在風(fēng)資源裕度、風(fēng)電場(chǎng)位置、風(fēng)力機(jī)裝機(jī)容量等方面具有優(yōu)勢(shì), 在風(fēng)力機(jī)制造安裝復(fù)雜度、全壽命周期成本、運(yùn)行維護(hù)難度、對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰裕度的要求等方面存在劣勢(shì)。綜合考慮后海上風(fēng)電的利大于弊，具有很大開(kāi)發(fā)價(jià)值，海上風(fēng)電是世界眾多國(guó)家推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型的核心路徑。

海上風(fēng)力發(fā)電在高緯度寒區(qū)海域，例如歐洲波羅的海、亞洲渤海灣、美洲五大湖等區(qū)域有很大的發(fā)展?jié)摿?，?duì)于寒區(qū)海上風(fēng)機(jī)而言海冰載荷是重要載荷之一。風(fēng)能探測(cè)的報(bào)告顯示我國(guó)渤海及黃海北部海域風(fēng)能密度大，然而冬季會(huì)有海冰影響風(fēng)電設(shè)備。大量工程項(xiàng)目表明, 海冰會(huì)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的危害。1969年渤海發(fā)生特大冰封, 巨大的海冰直接將海上的“海二井”石油平臺(tái)推倒, 造成了建國(guó)以來(lái)最大的由于海冰導(dǎo)致的石油平臺(tái)事故。放眼全球, 阿拉斯加庫(kù)克灣的采油平臺(tái)[1]、北歐的Bothnia灣燈塔[2]等冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)都不同程度地遭到過(guò)海冰的破壞。因此可以說(shuō), 海冰是關(guān)乎海洋結(jié)構(gòu)安全的全球性問(wèn)題。

1 我國(guó)冰載荷的研究現(xiàn)狀

目前我國(guó)關(guān)于冰載荷的研究發(fā)展尚不成熟，而且大多集中在海洋平臺(tái)領(lǐng)域，海冰是高緯度海域海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營(yíng)的重要影響因素，研究表明海冰載荷往往是寒區(qū)海域影響海洋工程結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定的控制載荷[3]。早在1966年，我國(guó)就開(kāi)始在渤海海域建設(shè)抗冰的海上平臺(tái)，至今已成功建成了數(shù)十座具有抗冰能力的海上平臺(tái)。

冰載荷的研究只在少數(shù)的幾個(gè)重視寒區(qū)海洋能源開(kāi)發(fā)的國(guó)家開(kāi)展，包括美國(guó)、北歐、加拿大、俄羅斯、日本、中國(guó)等，相對(duì)于波浪載荷、風(fēng)載荷、地震載荷等問(wèn)題的研究，冰載荷問(wèn)題的工程需要相比之下沒(méi)那么廣泛，而且各個(gè)國(guó)家海域的冰情、采用的結(jié)構(gòu)形式等均有著較大的差異，研究重點(diǎn)也根據(jù)實(shí)際海域有所不同，造成彼此研究的相對(duì)獨(dú)立。我國(guó)的冰載荷研究主要圍繞渤海展開(kāi)，目前的研究主要分布在以下幾個(gè)方面：

1)渤海的冰情調(diào)查，包括歷史冰情記錄[4-5]，冰情預(yù)報(bào)方法[6]統(tǒng)計(jì)分析劃分海冰區(qū)域以及給定工程設(shè)計(jì)參數(shù)[7];

2)海冰的物理力學(xué)性能[8](包括溫度、鹽度、密度等物理參數(shù)和壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù));

3)冰力及其檢測(cè)方法[9];

4)冰與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用和結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)[10];

5)結(jié)構(gòu)的冰激疲勞分析以及抗冰設(shè)計(jì)[11]。

2 冰載荷數(shù)值仿真方法

2.1 數(shù)值仿真概況

針對(duì)冰載荷研究主要方式有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、原型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬。對(duì)冰載荷的研究主要針對(duì)靜冰載荷和動(dòng)冰載荷。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，影響海冰運(yùn)動(dòng)的因素較多，因此如何建立合理有效的數(shù)值方法來(lái)模擬海冰動(dòng)力學(xué)過(guò)程一直都是研究的重點(diǎn)，雖然海冰與結(jié)構(gòu)物相互作用的過(guò)程至今沒(méi)有公認(rèn)的數(shù)學(xué)物理模型，不過(guò)研究者們還是基于模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為基礎(chǔ)，用數(shù)值模擬方法展現(xiàn)冰和結(jié)構(gòu)相互作用的過(guò)程，特別是對(duì)海冰動(dòng)態(tài)破壞的過(guò)程。

在分析冰與一般的結(jié)構(gòu)物作用時(shí)，通常所研究的冰尺度較小。對(duì)于較小的尺度，若假設(shè)其為均勻介質(zhì)就可以很簡(jiǎn)單地運(yùn)用目前最為常用的數(shù)值分析方法有限元法[17-21]。除此以外還有離散元法[22-23]、非連續(xù)變形分析方法[15-16]等其他數(shù)值分析方法在處理不同問(wèn)題時(shí)有著各自優(yōu)勢(shì)。

2.2 有限元法

有限元分析是解決工程和數(shù)學(xué)模型時(shí)最為廣泛使用的方法。將大型的系統(tǒng)細(xì)分為小而簡(jiǎn)單的元，在滿足工程要求的前提下設(shè)置元素，將求解域劃分為離散域，再根據(jù)離散域各自的方程進(jìn)行求解，就可以用有限數(shù)量的未知量代數(shù)方程組去求解偏微分方程組。對(duì)于不同數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題有限元的求解方法是大致相同的，其核心思想均為“數(shù)值近似”和“離散化”，求解問(wèn)題的基本步驟[12]通常是根據(jù)問(wèn)題確定好計(jì)算域，然后將計(jì)算域離散化，再確定狀態(tài)變量的方程組和設(shè)定邊界條件開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出結(jié)果后再進(jìn)行分析。處理步驟大概可分成3個(gè)階段，前處理、求解和后處理流程如圖1所示。前處理就是根據(jù)研究的問(wèn)題建立有限元模型并且根據(jù)計(jì)算需求完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是在得到計(jì)算結(jié)果以后根據(jù)計(jì)算的設(shè)定條件分析結(jié)果，以方便其他研究者了解。有限元方法是基于連續(xù)介質(zhì)理論用來(lái)描述連續(xù)結(jié)構(gòu)體運(yùn)動(dòng)應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法，適合用來(lái)分析海洋結(jié)構(gòu)在冰力作用下動(dòng)力響應(yīng)。

2.3 離散元法

離散元法是專門用來(lái)解決不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值模擬方法最初往往應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域，把介質(zhì)離散為元，相鄰的元之間存在某種或幾種作用力，元的運(yùn)動(dòng)滿足牛頓第二定律。近年來(lái)，基于離散元方法模擬海冰與船體和海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)間的相互作用研究取得了較大進(jìn)展。冰離散元方法的計(jì)算單元可采用球體、圓盤、多面體和擴(kuò)展多面體等不同形態(tài)。采用離散單元模型計(jì)算更加適合模擬離散顆粒組合體在準(zhǔn)靜態(tài)或是動(dòng)態(tài)條件下的變形和破碎過(guò)程，而海冰是屬于非連續(xù)介質(zhì)可以離散為具有一定質(zhì)量的顆粒單元，顆粒之間允許位移重疊或分離，通過(guò)這些單元可以靈活構(gòu)建不同類型的海冰，包括平整冰、浮冰、冰脊和堆積冰等。

圖1 有限元分析示意Fig.1 Finite element analysis diagram

2.4 其他數(shù)值方法

除了前述2種主流數(shù)值分析方法之外，還有許多數(shù)值方法用于冰載荷的研究，如差異元素法[13]、三維顆粒流法[13]、幾何網(wǎng)格法[14]等。石根華[15]于 1988 年提出了一種新型數(shù)值分析方法將數(shù)學(xué)拓?fù)鋵W(xué)和工程實(shí)踐相結(jié)合的非連續(xù)變形分析(discontinuous deformation analysis，DDA)。該方法最初是為了解決巖體大變形和大位移問(wèn)題時(shí)介質(zhì)不連續(xù)性導(dǎo)致計(jì)算誤差大的問(wèn)題而提出的，平行于有限元法，充分考慮結(jié)構(gòu)介質(zhì)的不連續(xù)性，將結(jié)構(gòu)面切割而成的塊體作為分析單元，將動(dòng)力學(xué)與靜力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，用最小勢(shì)能原理把塊體之間的接觸問(wèn)題和塊體本身的變形問(wèn)題統(tǒng)一到矩陣中求解，后來(lái)被學(xué)者運(yùn)用到冰與結(jié)構(gòu)的相互作用模擬中。張運(yùn)良等[16]就基于DDA算法模擬冰與結(jié)構(gòu)相互作用的過(guò)程，將冰破碎的過(guò)程可視化，計(jì)算了冰撞擊結(jié)構(gòu)后每個(gè)時(shí)間步的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。模擬出的冰破碎過(guò)程與原型觀測(cè)到的過(guò)程較為吻合，與有限元和邊界元方法相比，DDA方法對(duì)冰的破碎模擬更為接近實(shí)際。不過(guò)目前整體而言該方法在應(yīng)用于冰載荷研究還相對(duì)較少。

3 數(shù)值仿真方法在抗冰研究中的應(yīng)用

在研究冰與海洋相互作用時(shí)所關(guān)注的問(wèn)題往往是作用在結(jié)構(gòu)上的最大靜冰力和動(dòng)冰力形式、海冰引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的機(jī)理以及結(jié)構(gòu)在冰載荷作用下的失效形式，按照結(jié)構(gòu)與冰作用部分的形狀可以分為直立結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及非直立結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。現(xiàn)在數(shù)值仿真在冰載荷方面的應(yīng)用往往是通過(guò)與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比以驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的適用性，積累冰載荷領(lǐng)域數(shù)值仿真的經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步模擬仿真不同壞境、不同結(jié)構(gòu)時(shí)冰與結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程，為未來(lái)的抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3.1 在直立結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

冰與直立結(jié)構(gòu)作用時(shí)，可能出現(xiàn)劈裂、彎曲、屈曲和擠壓等多種破壞形式，其中以擠壓破壞為主。岳前進(jìn)等[17-18]、K?rn?等[19]、李洪升等[20]對(duì)冰與直立結(jié)構(gòu)的作用過(guò)程及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)冰與直立結(jié)構(gòu)作用主要發(fā)生屈曲破壞和擠壓破壞，并且不同速度的海冰與結(jié)構(gòu)作用擠壓破壞時(shí)會(huì)形成如圖2示的3種不同形式的冰激振動(dòng)：準(zhǔn)靜態(tài)振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)，海冰的擠壓破碎也因?yàn)楸俚牟煌憩F(xiàn)為3種不同的破碎模式。當(dāng)冰速很慢時(shí)，出現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)冰力，對(duì)應(yīng)冰的破碎模式為準(zhǔn)靜態(tài)韌性破壞；隨著冰速的增加會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的冰力，此時(shí)的破壞模式為韌脆轉(zhuǎn)換破壞；隨著冰速的繼續(xù)增加會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)的冰力，對(duì)應(yīng)破碎模式為脆性破壞。

(a)極限應(yīng)力準(zhǔn)則 (b)極限動(dòng)量準(zhǔn)則 (c)極限力準(zhǔn)則圖2 直立結(jié)構(gòu)最大靜冰力的3種極限準(zhǔn)則Fig.2 Three limit rules for calculating peak static ice force on vertical structures

在靜冰力領(lǐng)域，目前已有相應(yīng)的工程規(guī)范，楊耀鵬等[21]以新建的海上平臺(tái)為例，通過(guò)有限元軟件分析其抗冰性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜力的安全儲(chǔ)備比較大，不過(guò)冰振對(duì)結(jié)構(gòu)造成的潛在影響還有待進(jìn)一步考究，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的疲勞失效。

在動(dòng)冰力的研究領(lǐng)域，季順迎等[22]通過(guò)離散元法模擬計(jì)算了海冰與直立海洋平臺(tái)相互作用的過(guò)程,模擬海冰對(duì)不同樁徑的直立結(jié)構(gòu)的動(dòng)冰力過(guò)程，確定海冰的破碎規(guī)律以及冰載荷的特性，發(fā)現(xiàn)平均冰力與樁徑呈正比。賈賓等[23]在前者研究的基礎(chǔ)上，采用基于近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)理論的數(shù)值算法,數(shù)值模擬的主要參數(shù)參考了前者的模型，模擬了海冰與柱狀結(jié)構(gòu)的作用過(guò)程，并考慮了相互作用時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，探究了樁徑、冰速等參數(shù)對(duì)極值靜冰力和結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移的影響，冰力部分模擬結(jié)果與前者相近，可見(jiàn)這種新型的數(shù)值算法也是具有合理性的。

冰激振動(dòng)是影響海洋結(jié)構(gòu)安全以及導(dǎo)致其損傷和疲勞壽命的重要因素，也是冰載荷研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。張大勇等[24]在分析冰激振動(dòng)下直立結(jié)構(gòu)的疲勞壽命時(shí)，借助有限元數(shù)值分析方法，主要考慮了穩(wěn)態(tài)振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)造成的疲勞損傷影響，選取安全壽命設(shè)計(jì)方法[25]進(jìn)行冰激疲勞估計(jì)，明確冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程，提出一套冰激直立抗冰平臺(tái)的疲勞壽命計(jì)算流程。

在分析冰載荷問(wèn)題時(shí)往往把海洋平臺(tái)視為剛體結(jié)構(gòu)，而在分析海洋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性時(shí)則把冰載荷簡(jiǎn)化成冰力函數(shù)處理，隨著冰激振動(dòng)研究的深入，需要進(jìn)一步研究海冰與海洋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合作用，不少研究者提出了建立離散元-有限元的耦合模型來(lái)分析冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理。王帥霖[26]采用基于區(qū)域分解方法的離散元-有限元耦合模型，對(duì)單樁直立結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬，由梁-殼組合單元構(gòu)成海洋結(jié)構(gòu)的有限元模型，在耦合界面上發(fā)展了相應(yīng)的接觸算法和耦合參數(shù)傳遞算法，考慮了冰速、厚度變化的影響，在冰況相近的前提下，仿真計(jì)算出冰載荷、冰激振動(dòng)加速度和應(yīng)力分布與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，初步說(shuō)明了該耦合模型在分析冰與結(jié)構(gòu)相互作用過(guò)程的適用性。

3.2 在非直立結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

近年來(lái)，錐體結(jié)構(gòu)在海洋工程領(lǐng)域不斷被采用，不少國(guó)家為冰區(qū)的海洋平臺(tái)加裝了圖3所示的錐體結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外的研究人員針對(duì)冰排與固定傾斜結(jié)構(gòu)作用時(shí)受到的冰載荷做了大量的理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，通過(guò)海冰的物理力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，冰的彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)小于擠壓強(qiáng)度。錐體取代直立結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為降低冰力的解決辦法。

圖3 抗冰單樁基礎(chǔ)[24]Fig.3 Ice resistant single pile foundation[24]

對(duì)于錐體結(jié)構(gòu)而言，由于冰排的彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)小于擠壓強(qiáng)度，而在根據(jù)現(xiàn)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即使是直立結(jié)構(gòu)也有很大的靜力安全儲(chǔ)備，而錐體則不言而喻，如圖4所示，對(duì)于錐體而言，雖然冰排破壞的力大幅減小了，不過(guò)會(huì)產(chǎn)生冰與斜面的摩擦力所帶來(lái)的額外載荷，因此研究椎體結(jié)構(gòu)靜冰力時(shí)不僅需要考慮錐體本身的物理參數(shù)還需要考慮冰爬坡力所帶來(lái)的額外載荷。

圖4 海冰與錐體碰撞示意[42]Fig.4 The sketch of collision between ice and cone[42]

Sand等[27]和Derradji-aouat[28]，利用有限元軟件ANSYS計(jì)算了冰排與斜坡結(jié)構(gòu)作用時(shí)結(jié)構(gòu)受到的冰力，將冰排理想化成作用在彈塑性基礎(chǔ)上的線彈性板，將得到的結(jié)果與前人基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論公式進(jìn)行比對(duì)。龔榆峰等[29]在各項(xiàng)同性海冰失效準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上結(jié)合Abaqus有限元軟件，開(kāi)發(fā)用于模擬海冰失效的新型單元并且結(jié)合了Ralston[30]給出的塑性極限分析解進(jìn)行比較,直觀地給出冰損傷過(guò)程及對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)受力的變化過(guò)程。Bjrnar等[27]使用非線性有限元方法模擬冰對(duì)固定圓錐體的作用，并分析錐角及摩擦力對(duì)冰荷載的影響。利用一種特殊的接觸算法模擬了冰原與錐狀結(jié)構(gòu)之間的相互作用，使跟蹤冰原與結(jié)構(gòu)之間逐漸發(fā)展的接觸成為可能。在相互作用過(guò)程中，由于冰原形態(tài)的變化，浮力也隨之變化。通過(guò)引入一個(gè)連續(xù)的非線性地基模型來(lái)跟蹤這一過(guò)程，該模型包括了浮力和冰的比重的影響。用2種不同的本構(gòu)模型來(lái)近似冰的力學(xué)行為。將材料非線性和冰與結(jié)構(gòu)摩擦的影響也納入有限元計(jì)算當(dāng)中，精確追蹤冰蓋與斜坡結(jié)構(gòu)之間的接觸，包括摩擦，計(jì)算部分或全部被淹沒(méi)的冰蓋上的浮力。探究了冰與結(jié)構(gòu)之間錐角和摩擦系數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與基于塑性極限分析的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者非常接近，可見(jiàn)該有限元模型的可靠性。

錐體結(jié)構(gòu)對(duì)減小動(dòng)冰力以及減小冰激振動(dòng)方面相比于直立結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出色，前文已經(jīng)提及，冰激振動(dòng)是目前寒區(qū)海洋工程抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的面臨的重大課題，不過(guò)目前仍沒(méi)有給出計(jì)算冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)的冰力函數(shù)，對(duì)海冰引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的力學(xué)機(jī)制的解釋還沒(méi)統(tǒng)一，研究者們也在不斷探究適合計(jì)算海冰動(dòng)力學(xué)的數(shù)值方法。王剛等[31]利用有限元軟件，對(duì)不同接觸寬度的冰與錐體相互作用過(guò)程進(jìn)行了分析，對(duì)徑向開(kāi)裂型和環(huán)向開(kāi)裂型2種冰排彎曲斷裂形式進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，研究了接觸寬度與冰排彎曲斷裂形式的關(guān)系。李海等[32]綜合考慮了計(jì)算的效率和精確性，發(fā)展了一種將拉格朗日坐標(biāo)與歐拉坐標(biāo)相耦合的方法，將有限差分法和質(zhì)點(diǎn)流體力學(xué)方法相結(jié)合，考慮了海冰的堆積以及渦旋風(fēng)場(chǎng)的作用，對(duì)遼東灣海冰動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了72 h的數(shù)值模擬計(jì)算，并且與衛(wèi)星的遙感圖像進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬的海冰的厚度、密集度分布以及冰速與衛(wèi)星遙感圖像有良好的一致性，可以較好地模擬出渤海海冰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

3.3 數(shù)值仿真結(jié)果的驗(yàn)證

目前對(duì)錐體海洋結(jié)構(gòu)與海冰的相互作用主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬展開(kāi)研究，由于冰-錐相互作用過(guò)程的復(fù)雜性，很難通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和試驗(yàn)分析不同參數(shù)對(duì)該過(guò)程的影響，而數(shù)值模擬方法可以準(zhǔn)確修改參數(shù)，再現(xiàn)出實(shí)測(cè)情況的冰-錐相互作用過(guò)程，并在確定數(shù)值仿真方法可行性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變參數(shù)模擬各種情況，從而達(dá)到冰激振動(dòng)預(yù)警分析、疲勞分析以及動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。以上數(shù)值仿真工作大多基于已有的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真研究以確定數(shù)值仿真工作的合理性。關(guān)湃等[33]基于模型試驗(yàn)結(jié)果，借助有限元軟件對(duì)冰錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬不同冰況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，不斷改變結(jié)構(gòu)的各種形狀參數(shù)以達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。也有不少研究者專門設(shè)計(jì)試驗(yàn)以驗(yàn)證數(shù)值分析的結(jié)果是否合理，汪震宇[34]用有限元方法分析斜坡與冰的相互過(guò)程，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模型試驗(yàn)進(jìn)行誤差分析以及模型的校正。

研究冰載荷的各種研究方法都是相互驗(yàn)證，不斷改進(jìn)的過(guò)程，而隨著數(shù)值分析方法不斷發(fā)展成熟，而且能夠精確地改變各種參數(shù)以適應(yīng)需求，對(duì)理解冰與結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制具有成本低效率高的優(yōu)勢(shì)。

4 在海上風(fēng)機(jī)一體化數(shù)值分析的應(yīng)用

4.1 海上風(fēng)機(jī)一體化分析需求

海上風(fēng)機(jī)也作為一種海洋結(jié)構(gòu)，在冰載荷方面的研究與前述的直立結(jié)構(gòu)和錐面結(jié)構(gòu)有諸多相似之處，在這便不再贅述了。海上風(fēng)機(jī)相比于其他海洋結(jié)構(gòu)，最大的特點(diǎn)在于風(fēng)機(jī)為典型的柔性結(jié)構(gòu)，海冰會(huì)引起柔性結(jié)構(gòu)明顯的動(dòng)力放大，冰振響應(yīng)十分顯著，對(duì)結(jié)構(gòu)及上部設(shè)備造成一定影響[35]。張大勇等[36]基于有限元分析法研究動(dòng)冰載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，選取單立柱式三樁形式的風(fēng)電基礎(chǔ)并與相同結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力特性對(duì)比，文章中歸納總結(jié)了冰載荷作用下風(fēng)電基礎(chǔ)的各種失效模式，包括靜冰力作用下的結(jié)構(gòu)失效和動(dòng)冰力作用下的疲勞失效、振動(dòng)失效和土壤失效，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)雖能滿足極值冰載荷的要求，但在動(dòng)冰力作用下對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響還有待考量。通過(guò)有限元法仿真模擬可以得到驗(yàn)證風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要是塔架在載荷下的響應(yīng)，但并沒(méi)有模擬出動(dòng)冰力振動(dòng)下對(duì)內(nèi)部設(shè)備如電機(jī)、限速安全機(jī)構(gòu)等的影響，但可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的冰振位移、速度等指標(biāo)來(lái)間接地考慮動(dòng)冰力下結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)內(nèi)部設(shè)備的影響程度，為寒區(qū)風(fēng)電基礎(chǔ)的抗冰設(shè)計(jì)的改良、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及安全保障提供合理依據(jù)。

4.2 常用海上風(fēng)機(jī)一體化分析軟件及應(yīng)用

目前用于海上風(fēng)機(jī)一體化的軟件主要為FAST軟件，作為風(fēng)機(jī)耦合的軟件，不僅能夠建立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的模型還能搭建旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)艙-塔架組件的詳細(xì)模型，更加貼近實(shí)際的模擬仿真風(fēng)機(jī)在各種載荷作用下的響應(yīng)。FAST軟件[37]是美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)開(kāi)發(fā)，用于計(jì)算氣動(dòng)彈性及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真的開(kāi)源軟件。該軟件的仿真流程圖如圖5所示，F(xiàn)AST作為一款開(kāi)源的軟件，為拓展研究、增加功能提供了基礎(chǔ)，部分研究者在軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)以適應(yīng)不同的研究需求。

現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)作為最大的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，扇葉長(zhǎng)度甚至可以超過(guò)最大的飛機(jī)翼展，風(fēng)載荷對(duì)風(fēng)機(jī)的影響是其他海洋結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的，所以分析風(fēng)和海冰的聯(lián)合載荷與風(fēng)機(jī)作用的過(guò)程十分重要。許子非等[38]考慮了海冰與湍流風(fēng)載荷的聯(lián)合作用，利用FAST軟件，以近海單樁風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，數(shù)值計(jì)算在不同厚度及海冰移速的海冰碰撞條件下塔架的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，并對(duì)比了有無(wú)抗冰錐時(shí)響應(yīng)的不同，發(fā)現(xiàn)抗冰結(jié)構(gòu)能夠明顯減小結(jié)構(gòu)的疲勞載荷。

除了FAST以外，目前用上風(fēng)機(jī)一體化數(shù)值分析主流的軟件還有HAWC2[39](horizontal axis wind turbine simulation code 2nd generation)和Bladed，都是被一些風(fēng)力機(jī)廠商所認(rèn)證的仿真軟件，作為風(fēng)機(jī)仿真軟件應(yīng)用于很多研究項(xiàng)目和工程當(dāng)中，能夠模擬許多現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪機(jī)。

HAWC2能夠綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)載荷、水動(dòng)力載荷和土力學(xué)載荷，在時(shí)域內(nèi)使用線性和非線性的方法結(jié)合以計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，基于多體公式的非線性氣動(dòng)彈性模型，可以處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。Shi等[40]利用了HAWC2代碼，建立了半經(jīng)驗(yàn)的全耦合冰載荷模型，研究冰載荷對(duì)安裝了抗冰結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電機(jī)的影響，同時(shí)考慮了風(fēng)載荷和冰載荷的基礎(chǔ)下進(jìn)行了耦合分析并且與非耦合分析的結(jié)果進(jìn)行了比較，討論了耦合分析的重要性，并且研究了風(fēng)速、平均冰厚、漂移速度不同時(shí)，冰的物理性質(zhì)和破冰錐幾何形狀的對(duì)海上風(fēng)機(jī)響應(yīng)的影響。

圖5 FAST軟件仿真流程圖[38]Fig.5 Software simulation flow chart[38]

除了冰與結(jié)構(gòu)的相互作用之外，海上風(fēng)力機(jī)仍需考慮結(jié)冰對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響，結(jié)冰會(huì)引起額外的載荷和振動(dòng)，不同葉片上冰載荷的不平衡也會(huì)在一定程度上增加機(jī)組部件的疲勞。易賢等[41]采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行結(jié)冰計(jì)算，模擬結(jié)冰形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析結(jié)冰的主要部位以及厚度，還有對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的影響，為設(shè)計(jì)結(jié)冰探測(cè)方法和除冰方案奠定基礎(chǔ)。

風(fēng)力機(jī)作為高聳結(jié)構(gòu)，相比于其他海洋結(jié)構(gòu)柔性特性更為明顯，也意味著風(fēng)力機(jī)受冰激振動(dòng)的影響更為顯著，而目前對(duì)于冰激振動(dòng)的研究仍處于探索階段，離徹底揭示冰激振動(dòng)機(jī)理和抗冰振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完善還有很長(zhǎng)的路要走，隨著數(shù)值仿真技術(shù)的成熟，數(shù)值計(jì)算方法相比于原型觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)研究的進(jìn)程更短，花費(fèi)小效率高，能規(guī)避很多不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前冰載荷研究的靜冰力領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)成熟，各個(gè)研究地區(qū)均有明確的規(guī)范，不過(guò)仍未形成統(tǒng)一計(jì)算公式或是數(shù)學(xué)模型，靜冰力分析理論還有待進(jìn)一步發(fā)展。新型的海洋結(jié)構(gòu)或是抗冰結(jié)構(gòu)對(duì)于靜冰力均有較大的安全儲(chǔ)備，應(yīng)當(dāng)探索降低靜冰力工程設(shè)計(jì)值以提高經(jīng)濟(jì)效益的可能性；在動(dòng)冰力和冰激振動(dòng)領(lǐng)域，仍需探索可以用于工程的動(dòng)冰力函數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化抗冰結(jié)構(gòu)的減震性能，形成相關(guān)的工程規(guī)范，并且發(fā)展數(shù)值分析方法以適應(yīng)動(dòng)冰力和冰激振動(dòng)數(shù)值計(jì)算需求。

理論分析和數(shù)值模型的發(fā)展必然離不開(kāi)工程實(shí)例與試驗(yàn)，目前我國(guó)僅天津大學(xué)有冰池實(shí)驗(yàn)室以及哈爾濱工程大學(xué)建設(shè)的室外冰水池實(shí)驗(yàn)室，但與德國(guó)漢堡水池相比仍有著顯著的差距，有待進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)條件，開(kāi)展更多冰力實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)然，冰載荷領(lǐng)域的研究要想應(yīng)用到海上風(fēng)機(jī)還需要結(jié)合其他領(lǐng)域知識(shí)，諸如空氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、土力學(xué)等領(lǐng)域的研究，并結(jié)合現(xiàn)代的數(shù)值仿真技術(shù)，不斷發(fā)展一體化數(shù)值分析技術(shù)以貼近實(shí)際。

相信隨著數(shù)值模擬技術(shù)與計(jì)算機(jī)的蓬勃發(fā)展，以及目前各國(guó)對(duì)冰載荷愈加重視，冰載荷的數(shù)值仿真方法也會(huì)越來(lái)越成熟，同時(shí)也會(huì)有更多的文獻(xiàn)方便學(xué)習(xí)。我國(guó)渤海海域能源豐富，不論是傳統(tǒng)能源還是新能源的開(kāi)采都避不開(kāi)樁式結(jié)構(gòu)，而渤海易受海冰影響，因此我國(guó)在抗冰方面的步伐從未停止，特別是近年來(lái)各地興起了海上風(fēng)電的熱潮。通將過(guò)數(shù)值方法與模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等手段結(jié)合不斷發(fā)展冰力研究，并在工程實(shí)踐中不斷積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，相信在不久之后便會(huì)形成一套完善海上風(fēng)機(jī)的冰力規(guī)范。