基于多因素耦合的超大型風電安裝船設計參數有限元計算與實船參數驗證

李榮，李毓洲，張笛，顏建軍，薛馳，高航，鄭和輝，張永康

(1.啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200；2.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006；3.武漢理工大學 智能交通系統研究中心，武漢 430063；4.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通 226009；5.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；6.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

最新一代超大型深水海上風機安裝平臺，該平臺功能復合了大型運輸船舶與自升式風機安裝平臺的優(yōu)點，這種新型平臺安裝有圓形或八邊形可升降定位銷樁腿、大噸位的安裝起重機，具有較大的平臺負重荷載和多種復雜、極端海洋環(huán)境作業(yè)工況；其長深比和寬深比均已超出現行規(guī)范要求，目前國內尚無專門規(guī)范可用于直接指導該船型的設計[1-4]。

超大型深水海上風機安裝平臺在海上作業(yè)的時候，由于受到海洋等環(huán)境載荷的作用，會導致應力集中、應力周期性變化、橫向位移，以及橫向振動等工程結構響應特性，由此而引發(fā)的問題會導致海上風機安裝平臺強度失效[5]，嚴重影響海上風機安裝平臺的安全性能和作業(yè)效率。已有文獻針對平臺在海洋載荷下的動力學和靜力學特性[6]，不同樁基類型的力學特性[7]，以及現有自升式風電安裝船進行研究[8-9]，本文針對影響超大型深水海上風機安裝平臺結構強度的各項參數，選取入泥深度、作業(yè)水深、空氣間隙、風向角度和橫向長度5個主要因素耦合考慮，將五因素的正交優(yōu)化設計與有限元法結合超大型風電安裝船全船結構強度有限元計算，并與超大型自升式風電安裝船的實船參數進對比和驗證。

1 超大型自升式風電安裝船力學模型分析及升降模型建立

超大型海上風機安裝平臺整體受力情況分析見圖1。沿超大型海上風機安裝平臺樁腿方向和海底泥面建立坐標系，海面以上風載荷F3(x)、海水層海流載荷F2(x)和海土層土反力F1(x)都是關于自變量x的函數。其中，設定超大型海上風機安裝平臺樁腿低端為坐標原點，x表示豎直方向上的距離坐標。由于產生傾斜，平臺還受到海底土的抗傾彎矩M0。

圖1 自升式風裝船整體受力情況分析

坐標x處取水平截面，根據截面在不同的距離區(qū)間，可得：

式中：xB、xC分別為海床面、水平面的坐標；l為樁腿總長；t為臨時積分變量，為數學積分符號，無物理含義；Mx為坐標為x處受到的彎矩，N·m，其中MB、MC分別為樁腿在海床面、水平面的彎矩。

海土層土反力F1(x)由樁-土相互作用確定，采用應用最為廣泛的P-y曲線理論對樁腿與海底土相互作用進行數值分析。海水層海流載荷F2(x)可應用Morison公式進行計算。樁腿的撓曲方程為

(2)

式中：y為撓度；E、I分別為彈性模量和慣性矩。

設自升式風裝船的橫向振幅為δst，則樁腿頂端最大水平位移ymax為

ymax=δst

(3)

由水平推力F可求得該系統的等效剛度系數k為

(4)

則水平方向自由振動的振動周期T和頻率fn為

(5)

(6)

式中：m、W分別為系統質量和重量；g為重力加速度。

在建立整體結構模型時，做如下簡化假設。

1)忽略船體形狀及其內部復雜結構。

2)忽略樁腿底部樁靴的形狀和樁腿中孔結構。

3)簡化船體與樁腿復雜的連接結構。

本文升降系統結構分析建模見圖2～5,建立的升降系統有限元分析模型具有區(qū)別于同類型模型的典型特點，主要表現如下。

圖2 開有插銷孔的圓柱形樁腿模型

圖3 固樁架外圍框架模型

圖4 升降系統模型整體結構

圖5 樁腿與固樁架接觸對模型

1)利用MPC技術將波浪流等海洋載荷引入到精細模型中。

2)采用接觸算法將升降系統各部分結構合理連接。

3)精細模型中各單元的網格劃分均勻，除插銷中含有少量四面體單元外，其余全部為規(guī)則六面體單元。

本文采用數值分析的方法，建立2組海洋環(huán)境下的單樁對比模型驗證了升降系統模型采用MPC技術引入波流載荷的效果,考察點設置在模型的5、10和15 m 3個位置。驗證分析結果見圖6。從圖6可見，針對相同位置的考察點，2組模型位移隨時間的變化規(guī)律相吻合。

圖6 考察點作用力方向位移隨時間變化歷程

2 耦合五因素正交優(yōu)化設計的有限元法分析

超大型海上風機安裝平臺在正常作業(yè)時，樁腿插入海底土層的深度稱為入泥深度。入泥深度是樁-土相互作用研究的一個主要問題，其不僅影響安裝平臺的安全性和機動性，還直接決定了建造成本。空氣間隙指的是超大型海上風機安裝平臺主體升至作業(yè)位置時，主體結構最低構件下沿與海平面之間的凈空距離。合理的空氣間隙設置對于自升式風機安裝平臺的正常作業(yè)十分重要。海洋載荷等外界環(huán)境從不同的角度對處于自升狀態(tài)的超大型海上風機安裝平臺產生不同的作用效果。為了獲得研究安裝平臺在惡劣環(huán)境下最大的靜態(tài)或者動態(tài)的結構強度響應值，假定風浪流等海洋載荷同方向性質，因此，風向角度可以看作是海洋環(huán)境載荷作用角。作業(yè)水深是船東給自升式風機安裝平臺設計者的一個重要參考條件，文中最大作業(yè)水深是45 m。國家能源局制定的《海上風電開發(fā)建設管理暫行辦法實施細則》明確規(guī)定，海上風電場原則上應該在離岸距離不少于10 km、水深不得少于10 m的海域布局，這樣規(guī)定的目的是為了規(guī)避不同行業(yè)用海的矛盾，降低開發(fā)企業(yè)投資風險。超大型海上風機安裝平臺設計工作中的一個關鍵問題是確定樁腿之間的位置關系。由于平臺在寬度方向有限制要求，樁腿在船寬方向的尺寸設計空間很小，一般將寬度固定，因此，如何確定樁腿之間的位置關系問題演變成為如何確定自升式風機安裝平臺樁腿之間長度方向的尺寸關系，即橫向長度。

上述影響因素見圖7。

圖7 超大型自升式風電安裝船影響因素關系

整體模型參數見表1，環(huán)境分析參數見表2。

表1 整體模型建模參數

表2 正交分析環(huán)境參數

上述入泥深度(A)、作業(yè)水深(B)、空氣間隙(C)、風向角度(D)和橫向長度(E)等5個超大型自升式風機安裝平臺結構強度分析參數為主要因素，在硬質土和軟質土2種土質下，其因素及相應水平見表3。

表3 正交設計各因素及相應水平

利用APDL語言編寫了分析程序，分析程序由以下4部分組成：參數模塊、結構建模模塊、載荷施加模塊及求解模塊。考查的正交試驗設計參數都在參數模塊中定義，其余部分則在參數模塊的基礎上，建立關于相關參數的一一對應函數關系，從而建立一個基于參數的整體函數分析程序。因此，對于每一組正交試驗設計，只要改變程序參數模塊的參數，就可以生成與該組相對應的分析程序，極大地降低了有限元建模的勞動強度，提高了正交試驗的效率。

3 結果分析

在使用上述超大型自升式風機安裝平臺整體耦合五因素正交優(yōu)化設計的有限元法分析的基礎上，通過瞬態(tài)動力學分析自升式風機安裝平臺在隨時間任意變化的載荷作用下的動力性響應，以獲到自升式風機安裝平臺在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和簡諧載荷等隨意組合作用下隨時間變化的位移和應力情況。根據分析得到參數，與現有自升式風機安裝平臺常采用的作業(yè)條件在風暴工況下進行瞬態(tài)對比分析，對比數據見表4，得到自升狀態(tài)下的平臺位置點位移時間歷程變化和結構弱點應力時間歷程變化，結果見圖8～10。

表4 現有條件與優(yōu)化條件

圖8 平臺位置點x方向位移-時間歷程

分析現有自升式風機安裝平臺常采用的作業(yè)參數與優(yōu)化參數在最大水深下的時間歷程變化。研究發(fā)現，參數優(yōu)化后的自升式風機安裝平臺作業(yè)位置點的位移隨時間變化程度和結構弱點的應力時程變化得到較大的改善：參數優(yōu)化后平臺位置點x方向的變化幅值比現有條件減少了12.62%(硬質土)和9.95%(軟質土)，見圖8；y方向變化幅值減少幾乎達到100%，見圖9；上述研究表明:優(yōu)化參數后平臺位置點在x和y方向上的位移時間歷程得到明顯改善，特別是y方向，減少了自升式風機安裝平臺發(fā)生傾斜等事故的幾率。參數優(yōu)化后的結構弱點的軸向應力隨時間變化的幅值比現有條件減少了18.46%(硬質土)和19.86%(軟質土)，見圖10。由于自升式風機安裝平臺受到海洋載荷不是恒定，而是時刻變化，較大的軸向應力變化幅值會嚴重縮短自升式風機安裝平臺的使用壽命，因此，通過減少其結構弱點軸向應力變化幅值來提高其使用壽命，對于這種造價昂貴、建造周期長的超大型海洋設備工程船顯得十分經濟有效。

圖9 平臺位置點y方向位移-時間歷程

4 實船參數驗證

表5為考慮多因素耦合多因素的超大型風機安裝平臺全船結構有限元法經優(yōu)化分析后得到設計數值，與南通中遠船務工程有限公司建造的超大型自升式風電安裝船的實際參數進行對比結果。結果表明，本文多因素耦合多因素的超大型風安裝船全船結構有限元法計算結果與其實際情況相符。文中風向角度區(qū)別于自升式風機安裝平臺設計時考慮的位置角度：位置角度指的是自升式風機安裝平臺在作業(yè)時受到最大環(huán)境載荷時船體與指定位置參考方向之間的角度，該位置角度用于設計；文中風向角度特指自升式風機安裝平臺作業(yè)時船體與風向之間的角度，在該角度所受到的最大環(huán)境載荷小于自升式風機安裝平臺處于位置角度時受到的最大環(huán)境載荷。因為研究海域選在東海海域，故在考慮空氣間隙和入泥深度的實際情況時，需要結合該海域的環(huán)境情況來進行分析。

表5 分析海域數值分析結果與實際情況驗證

5 結論

為解決超大型深水海上風機安裝平臺受到海洋等環(huán)境載荷的作用而導致海上風機安裝平臺強度失效的問題，建立超大型自升式風電安裝船力學模型分析及升降模型，進行耦合五因素正交優(yōu)化設計的有限元法分析，通過瞬態(tài)動力學分析自升式風機安裝平臺在隨時間任意變化的載荷作用下的動力性響應，獲到自升式風機安裝平臺在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和簡諧載荷等隨意組合作用下隨時間變化的位移和應力情況。參數優(yōu)化后的自升式風機安裝平臺作業(yè)位置點的位移隨時間變化程度和結構弱點的應力時程變化得到較大改善，如參數優(yōu)化后平臺位置點x方向的變化幅值比現有條件減少了12.62%(硬質土)和9.95%(軟質土)；參數優(yōu)化后的結構弱點的軸向應力隨時間變化的幅值比現有條件減少了18.46%(硬質土)和19.86%(軟質土)。與南通中遠船務工程有限公司建造的超大型自升式風電安裝船的實際參數進行對比，結果表明，多因素耦合多因素的超大型風安裝船全船結構有限元法計算結果與其實際情況相符。本文提出的方法對于造價昂貴、建造周期長的超大型海洋設備工程船設計而言，可以有效減少成本，提高船體壽命。