2021, Vol. 43
随着人类对石油资源的过度开发，并造成了一些难以挽回的污染，世界各国也纷纷寻找新能源以替代日渐不足的石化资源。风能作为一种最清洁的新能源，得到了学术界的广泛研究。近十年来，海上风能的发展已经非常成熟，每年装机容量都超过1 GW。准确的设计荷载对于经济有效和安全基础至关重要。在充分考虑整个系统的动态特性的情况下，需要对各个子系统和环境建立适当的模型才能确定准确的载荷。
目前已经有3种平台概念有确定性的理论验证和分析，它们在横摇和纵摇上有足够的稳性。这3种平台形式分别是Spar型，TLP（张力腿式）和压载式。这些平台通过回复力矩与平台自身的浮力和系泊系统共同作用达到可以运营的状态，半潜式平台的概念混合使用了上述保持浮态的方法。本文概念设计了一种新型桁架式Spar结构的海上浮式风机基础，对其进行总体强度分析，找到了其应力最易集中的位置，对后续其结构加强奠定了基础。有限元直接计算法是船舶与海洋工程结构物中常用的结构强度计算方法，已经被业界广泛使用。它将结构整体受到的外载荷、重力载荷、惯性力，一并施加到结构上进行有限元分析。本文采用Ansys AQWA和静力学模块对海上浮式风机基础进行波浪载荷和流载荷耦合的总体强度分析。
1 浮式风机结构设计本文的结构形式主要参考了李溢涵[1, 4]论文中的机型，但桁架的宽度、垂荡板的板厚等具体参数均有不同。垂荡板的板厚为0.8 m，垂荡板的圆角为50 mm，桁架的间距为相邻间距16 m。结构参数详见表1。
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表 1 结构主要设计参数表 Tab.1 Main design parameters of structure |
上部浮箱桁架结构为
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图 1 三维结构模型图 Fig. 1 Three dimensional structure |
本文根据中国船级社CCS发布的《海上移动平台结构状态动态评价及应急响应服务指南》中的确定性设计波法进行结构的波浪载荷预报。根据指南，规则波的波陡定义为：
| $ S=\frac{2\text{π} }{g}\frac{H}{{T}^{2}} \text{。}$ |
式中：
| $S = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\dfrac{1}{7},T \leqslant 6\;{\rm s}}\text{，}\\ {\dfrac{1}{{7 + \dfrac{{0.93}}{{{H_{100}}\left| {{T^2} - 36} \right|}}}},T > 6\;{\rm s}}\text{，} \end{array}} \right.$ |
式中，
本文采用AQWA进行波浪水动力分析，波浪载荷传递函数（RAO）基于9个浪向和20个遭遇频率进行波浪搜索。浪向为0°～180°，周期最小为2.73915 s，最大为62.83185 s。根据指南的建议，选取的周期范围不必小于3 s，最大不必超过18 s，则波周期选取为2.73915 s，5.90192 s，9.0647 s，12.22747 s，15.39024 s。根据上文公式，选取百年一遇的波高为30.96 m。对应周期的波高，分别是1.67 m，7.77 m，18.32 m，33.33 m，52.802 m。舍弃后2个周期的数据，计算时采用百年一遇的波高。本文只展示最危险工况的波浪载荷剪切力RAO云图。鉴于模型的对称性，本文只展示模型垂向、横向、横摇弯矩的RAO，如图2～图4所示。
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图 2 不同位置不同浪向下垂向剪切力RAO云图 Fig. 2 RAO of wave drooping shear force at different positions |
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图 3 不同位置不同浪向下横向剪切力RAO云图 Fig. 3 RAO of transverse shear force at different locations |
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图 4 不同位置不同浪向下横摇弯矩RAO云图 Fig. 4 RAO of wave rolling downward at different positions |
根据RAO计算值，选取2个最危险的工况，分别是工况1浪向为180°，周期为12.22747 s，位置为−8 m，设计波高为百年一遇波高，此时垂向和横向的波浪载荷最大。工况2浪向为−90°，周期为12.22747 s，位置为−7 m，设计波高为百年一遇波高，此时波浪造成的横摇弯矩最大。
3 流载荷计算方法本文根据Ansys APDL指定海洋环境，并通过命令流指定不同海水深度的流速，本文指定海水水深为150 m，海水密度为1025 kg/m3，0 m海水流速为0.5 m/s，水深40 m海水流速为0.2 m/s。
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图 5 Ansys海洋环境示意图 Fig. 5 Ansys ocean condition |
惯性释放的基本原理，就是采用结构质量的惯性力来抵消施加的不平衡载荷，即结构虽然无任何约束，但结构已经处于“静态”平衡状态。惯性释放法需要提供一个指定的自由体支撑点，称为“虚支座”，该点可提供限制自由体运动的约束，但是不会引入多余的支反力。
4.2 边界条件对于海上浮式风机，国内外目前没有出台对应校核桁架式Spar结构的浮式风机基础强度规范，在进行浮式风机基础校核的时候首先需要消除6个自由度的刚体运动。通过上文所述的惯性释放方式，选取一个边界作为整体校核的虚支座。
4.3 材料参数浮体所选用的钢材为海洋结构物专用钢材EH36，参数如表2所示。
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表 2 材料参数表 Tab.2 Material parameters |
结构的整体变形和整体结构的Von-mise应力云图如图5～图8所示。可以发现应力主要发生在连接处，尤其在桁架和垂挡板连接处内部，应力值为全结构处最大的应力。工况1可以看出整体结构受到垂向的力很大，工况2结构也出现了很大的横向变形。无论工况1还是工况2 Von-mise应力都在屈服应力允许范围之内，垂荡板在垂向方向有严重的变形。对于垂荡板内横撑，肋板的设计还有待于完善。但对于一般的海况，结构强度完全符合要求。
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图 6 工况1整体变形 Fig. 6 Case1 total deformation |
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图 7 工况2整体变形 Fig. 7 Case2 total deformation |
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图 8 工况1整体结构Von-mise应力云图 Fig. 8 Case1 total Von-mise stress |
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图 9 工况2整体结构Von-mise应力云图 Fig. 9 Case2 total Von-mise stress |
整体结构中的应力最大值节点和该部位的最大应力值如表1所示。−29 m，−8 m处为结构垂挡板和桁架交叉处位置，−8 m处给出了垂挡板最大应力位置和最大Von-mise应力值。表1中的数据说明了结构的交叉部位容易产生应力集中，应该采取不一样的连接方式，通过曲面过渡，改变应力集中的现象。
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表 3 工况1和工况2结构关键部位应力值 Tab.3 Case1 and Case2 important structure stress |
通过直接计算法计算海上浮式风机基础强度，先通过水动力分析得到浮式基础的辐射力值，进而进行强度计算得到了浮式基础的Von-Mise应力及变形结果。通过结果可以发现垂挡板部位和桁架连接处部位属于高应力区域，需要进行结构的加强和优化研究。
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