基于LS-DYNA的海上風機單樁防撞設(shè)施碰撞仿真分析

嚴 亮，萬 敏，張曙光，湯榮鏗，楊春暉

(1.中國人民解放軍92228部隊，北京 102488；2.南京長峰航天電子科技有限公司，江蘇 南京 210000；3.南京市海洋裝備及防務(wù)工程研究中心，江蘇 南京 210000；4.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

在能源問題日益緊張的今天，海上風能作為一種優(yōu)質(zhì)的可再生能源而受到廣泛關(guān)注。由于技術(shù)及環(huán)境等方面的約束，在建的海上風電場多位于近海，靠近繁忙的航道。隨著海上風力發(fā)電機組數(shù)量的增多，海上風力發(fā)電機組與船舶碰撞的概率也隨之提高。船舶與海上風力發(fā)電機組碰撞會導(dǎo)致海上風機的結(jié)構(gòu)強度大幅度削弱，不僅影響海上風機的正常運行，還會增加運維成本，甚至可能造成人員傷亡事故。因此，為海上風力發(fā)電機組基礎(chǔ)設(shè)計防護措施是十分必要的。

海上風力發(fā)電機的基礎(chǔ)可分為固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)。固定式基礎(chǔ)包括：重力式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)、單樁鋼管基礎(chǔ)、三腳架式基礎(chǔ)和導(dǎo)管架式基礎(chǔ)等。單樁式基礎(chǔ)是目前廣泛使用的海上風力發(fā)電機基礎(chǔ)形式。雖然單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)移動困難，且隨水深的增加，其穩(wěn)定性越差，不適用于深海，但相比于其他基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，單樁式風電基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式簡單，設(shè)計與安裝較方便，目前在淺水和20～25 m水深的海域應(yīng)用較多。國內(nèi)許多學者對海上風機基礎(chǔ)防撞進行了大量的研究。郝二通在海上風機基礎(chǔ)碰撞仿真分析的基礎(chǔ)上提出一種防撞裝置優(yōu)化設(shè)計方法。謝逸群設(shè)計了一種單樁式基礎(chǔ)的防撞裝置。劉宇航等分析了3種常用固定式基礎(chǔ)在碰撞中的風機運動響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)單樁基礎(chǔ)的風機運動響應(yīng)更明顯。本文針對單樁式海上風機基礎(chǔ)防護設(shè)施，利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬船舶與防護設(shè)施的碰撞過程，研究防護設(shè)施性能和防護效果，并對結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出建議。

1 防護設(shè)施構(gòu)造及尺寸設(shè)計

海上風機單樁基礎(chǔ)防護設(shè)施旨在通過利用自身的結(jié)構(gòu)和力學原理，消耗和吸收船舶的碰撞力與碰撞動能，達到保護海上風力發(fā)電機單樁基礎(chǔ)的效果。本文選取的防護設(shè)施見圖1(a)。防護設(shè)施是基于外徑為6.4 m的海上風機單樁基礎(chǔ)而設(shè)計的，整體為圓環(huán)式浮筒結(jié)構(gòu)，其參數(shù)為：圓環(huán)內(nèi)徑6.4 m，外徑10 m，浮筒高6 m，吃水4 m，水上留有2 m高的結(jié)構(gòu)。浮筒由內(nèi)外艙壁、3層甲板、3個圓形縱桁、4個橫艙壁和36個“日”型橫骨架組成，見圖1(b)。

內(nèi)外艙壁構(gòu)成浮筒的主要結(jié)構(gòu)。外艙壁與碰撞的船舶直接接觸，內(nèi)艙壁則通過一定的緩沖裝置如橡膠、彈簧等材料與單樁基礎(chǔ)相連。3個圓形縱桁分別固定于主甲板下方、二甲板下方和艙底上方，由T型材組成，圓形縱桁圓心與甲板板圓心重合，直徑為8.2 m，即位于圓環(huán)甲板板的中間位置。4個橫艙壁則每隔90°設(shè)置1個，不僅起到加固結(jié)構(gòu)的作用，同時還將防護設(shè)施分割成4個艙室，便于安裝與拆除。36個“日”型骨架分為4組，分布于4個艙室中，見圖1(c)。9個骨架以圓環(huán)圓心為圓心，每隔9°設(shè)置1個，其橫剖面見圖1(d)。

圖1 防護設(shè)施基本結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2 碰撞數(shù)值模型

2.1 碰撞工況

由于單樁式海上風機在淺水和20～25 m水深的海域應(yīng)用較多，因此本文選擇4 000 t近海散貨船為碰撞船舶模型，其船首形狀為球鼻型船首。船舶主尺度如下：總長92 m，水線長85.71 m，垂線間長88.19 m，型寬13.8 m，型深7.1 m，吃水5.7 m。

為了測試防護設(shè)施的防撞性能，船舶碰撞選取了2個不同的撞擊角度(見圖2)：第1種是船首正向撞擊防護設(shè)施橫艙壁位置，此位置被認為是防護設(shè)施橫向防撞強度最高的地方；第2種是船首正向撞擊防護設(shè)施無骨架位置，此位置被認為是防護設(shè)施橫向防撞強度最薄弱的地方。船舶的速度設(shè)定為0.5 m/s和1.0 m/s，分別模擬這2種速度下不同角度的撞擊結(jié)果，因此共模擬了4種碰撞工況。

圖2 船舶碰撞角度示意圖

采用附連水質(zhì)量法來模擬流體對碰撞系統(tǒng)的影響，附連水質(zhì)量一般取0.02～0.07(為船舶的排水量)。本文所選取的工況都是船舶正向撞擊防護設(shè)施，最終選擇附連水質(zhì)量為0.05，船舶的排水量為4 200 t。

2.2 碰撞有限元模型

船舶、風機單樁基礎(chǔ)及其防護裝置的材料均為低碳鋼Q235。在發(fā)生碰撞時，船舶與防護裝置的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生瞬間變形，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出更復(fù)雜的關(guān)系。為準確模擬碰撞過程，選取Cowper-Symonds關(guān)系式為基礎(chǔ)的非線性塑性材料模型，表達式如下：

由于本文選取的防護設(shè)施由鋼板組成，因此選用薄殼單元(SHELL163)作為防護設(shè)施的單元屬性。定義板材的殼單元厚度為20 mm，型材的殼單元厚度為8 mm。面單元的網(wǎng)格形狀選取四邊形。網(wǎng)格劃分后的防護設(shè)施有限元模型見圖3。將防護設(shè)施的艙底進行固定約束，6個自由度完全固定。

圖3 防護設(shè)施有限元模型

為了簡化計算，船首使用非線性塑性材料Q235，船身采用剛性材料。船首部分面單元被賦予薄殼單元SHELLL163屬性，以便更準確地模擬碰撞時船舶與防護設(shè)施的接觸。船身部分則賦予實體單元SOLID164屬性。艏部面單元網(wǎng)格形狀選擇四邊形，單元尺寸為1 m，厚度為15 mm，船身體單元網(wǎng)格形狀選取六面體。船舶的網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 船舶有限元模型

船舶與防護設(shè)施的接觸形式為艏部與防護設(shè)施接觸選用自動面面接觸，艏部與船身、防護設(shè)施與內(nèi)部骨架的接觸為自動單面接觸。艏部與防護設(shè)施距離設(shè)置為0.8 m，其碰撞前的位置見圖5。

圖5 艏部與防護設(shè)施位置示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

由于防護設(shè)施骨架復(fù)雜，所以應(yīng)力分析僅選擇受碰撞的外艙壁和受碰撞位置附近的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如橫艙壁、骨架)為研究對象，研究這些位置最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的時間、大小和位置。4種工況的等效應(yīng)力情況如下：

(1)船以0.5 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施橫艙壁位置的應(yīng)力云圖見圖6。1.68 s時，外艙壁所受等效應(yīng)力值達到最大，最大值為17.1 MPa，最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在受撞擊的表面處。而此時的橫艙壁所受最大等效應(yīng)力為63 MPa，最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在受撞擊的橫艙壁位置。

圖6 應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(2)船以1.0 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施橫艙壁位置時的應(yīng)力云圖見圖7。1.32 s時，外艙壁所受等效應(yīng)力值達到最大，最大值為95.2 MPa，最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在受撞擊的表面及稍偏左區(qū)域。此時,橫艙壁所受最大等效應(yīng)力為93.6 MPa，最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在受撞擊的橫艙壁位置。

圖7 應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(3)船以0.5 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施無骨架位置時的應(yīng)力云圖見圖8。1.74 s時，外艙壁所受等效應(yīng)力值達到最大，最大值達到127 MPa。應(yīng)力位置不是受撞擊位置。撞擊位置為左側(cè)骨架與橫艙壁、外艙壁的連接處。

圖8 應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(4)船以1.0 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施無骨架位置時的應(yīng)力云圖見圖9。1.32 s時，外艙壁所受等效應(yīng)力值達到最大，最大值為171 MPa，應(yīng)力位置為左側(cè)骨架與橫艙壁、外艙壁的連接處和右側(cè)骨架的底端連接處。

圖9 應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3.2 位移分析

位移分析與應(yīng)力分析相似，研究的對象仍是受碰撞的外艙壁和受碰撞位置附近的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如橫艙壁、骨架)，研究這些位置最大位移出現(xiàn)的時間、大小和位置。4種工況的位移情況如下：

(1)當船以0.5 m/s撞擊橫艙壁位置時，在1.68 s時，外艙壁位移達到最大，最大值為1.1 mm；橫艙壁位移最大為1.1 mm。

(2)當船以1.0 m/s撞擊橫艙壁位置時，在1.38 s時，外艙壁有最大位移，最大位移為9.5 mm；橫艙壁最大位移為1.4 mm。

(3)當船以0.5 m/s撞擊無骨架位置時，在1.74 s時，外艙壁位移最大值為16.9 mm，受撞擊位置兩側(cè)骨架最大位移也同時達到16.9 mm，出現(xiàn)位置與外艙壁最大位移位置一致。

(4)當船以1.0 m/s撞擊無骨架位置時，在1.38 s時，外艙壁位移達到最大值，最大位移為32 mm；受撞擊位置兩側(cè)骨架最大位移也同時達到32 mm。

3.3 碰撞力分析

分析4種工況的船舶與防護設(shè)施碰撞力曲線，可以得到以下結(jié)論：

(1)0.5 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施橫艙壁位置時，碰撞開始于1.6 s，然后在1.85 s時達到最大值，最大值為6 170 kN。該碰撞于2.050 s結(jié)束，碰撞持續(xù)0.450 s。

(2)1.0 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施橫艙壁位置時，碰撞開始于0.8 s，然后在0.948 s時達到最大值，最大值為7 900 kN。該碰撞于1.524 s結(jié)束，碰撞持續(xù)0.724 s。

(3)0.5 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施無骨架位置時，碰撞開始于1.6 s，然后在1.72 s時達到最大值，最大值為7 360 kN。該碰撞于2.112 s結(jié)束，碰撞持續(xù)0.512 s。

(4)1.0 m/s的船速正向撞擊防護設(shè)施無骨架位置時，碰撞開始于0.8 s，在0.903 s時達到最大，其值為8 240 kN。該碰撞于1.632 s結(jié)束，碰撞持續(xù)0.832 s。

3.4 能量分析

根據(jù)4種工況下船舶與防護設(shè)施碰撞后能量轉(zhuǎn)化曲線可知：當船速為0.5 m/s時，碰撞系統(tǒng)總能量為526 kJ；當船速為1.0 m/s時，碰撞系統(tǒng)總能量為2 100 kJ。碰撞系統(tǒng)的總能量表現(xiàn)為船舶的動能，而當船舶與防護設(shè)施發(fā)生碰撞時，動能迅速減小，防護設(shè)施的內(nèi)能迅速增加，并且沙漏能開始出現(xiàn)。當動能減少到一定值時，船舶的動能開始逐漸上升，防護設(shè)施的變形能開始減少，在這個階段中，船舶被防護設(shè)施反彈回來，防護設(shè)施的變形開始恢復(fù)。最后整個系統(tǒng)會趨于穩(wěn)定，船舶的動能和防護設(shè)施的變形能趨于定值。整個碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)化基本符合能量守恒定律。4個工況中的沙漏能均低于總能量的5%，因此本文中的模擬結(jié)果基本是準確的。

4 結(jié)論

(1)模擬結(jié)果顯示：防護設(shè)施的外艙壁最大等效應(yīng)力到達171 MPa，被撞擊位置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力達到230 MPa，均未發(fā)生材料失效問題，撞擊后整體結(jié)構(gòu)性能良好。

(2)碰撞力曲線均未出現(xiàn)明顯的非線性波動；船速0.5 m/s和1.0 m/s的情況下，防護設(shè)施具有良好的防撞性能，可以對單樁基礎(chǔ)進行保護。