王國軍，張大勇，婁春娟，岳前進，羅成喜

(1.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023； 2.大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221；3.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，長沙 410014)

冰區(qū)海上風機基礎的振動分析

王國軍1，張大勇2，婁春娟2，岳前進2，羅成喜3

(1.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023； 2.大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221；3.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，長沙 410014)

摘要：為了能夠明確冰區(qū)風電基礎結構的抗冰性能及抗冰設計的合理性，基于多年冰與結構現(xiàn)場觀測及冰荷載的研究成果，明確適合于海上風電基礎的冰荷載模型；采用ANSYS有限元數(shù)值模擬方法，選取擬建在渤海的風電基礎結構，分析典型冰況下該類結構的冰振響應，并與風振響應相比對。結果表明，冰荷載和風荷載是冰區(qū)風機基礎結構設計中的控制荷載，并且冰激振動較為顯著。因此，冰區(qū)風電基礎設計中應當考慮冰荷載的影響。

關鍵詞：冰區(qū)；風機基礎；冰荷載；冰激振動

海上的風有其獨特的特點，主要是風速和風向比較穩(wěn)定，風能儲備比較大，對于環(huán)境的負面影響較小，具有高風速、低湍流、高產(chǎn)出特點[1]，總體風況要優(yōu)于陸地。近幾年我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2013年，我國風電發(fā)電量達到1 400億kW·h，超過核電，成為我國第三大電力供應源[2]。

在結冰海域設計和建造的風電基礎及升壓站結構必須具備一定的抗冰性能，確保結構的冬季安全運行。在結冰海域，海冰在潮流與風的作用下發(fā)生漂移，會與結構發(fā)生相互作用。實踐中發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)結冰海域，冰對海洋結構的作用，要遠比波浪和風的影響大得多，冰荷載是結冰海域海洋結構物的控制荷載，從已有的寒區(qū)海上結構的歷史來看，發(fā)生過多起海冰引起結構破壞的事故，例如，1963年，美國庫克灣兩座簡易平臺被冰推倒[3]，2000年1月，渤海遼東灣某油氣平臺在海冰作用下發(fā)生劇烈的振動，造成井口排空管線斷裂，法蘭松動，平臺被迫停產(chǎn)。對于海上風電結構目前的規(guī)范及一些研究主要是對風浪流，以及地震進行的分析，對于冰區(qū)海上風電結構面臨的冰荷載目前沒有此類規(guī)范，這方面的研究也較少。海上風電基礎有單樁和多樁形式，多樁基礎類似于導管架結構，區(qū)別在于風機基礎水面處的結構直徑在4～5 m，而導管架結構一般在2 m左右，風機水面以上結構大約在80 m以上，而導管架平臺一般在20 m左右，風機結構更偏柔性。從冰與結構相互作用分析，可將結構分為窄體結構和寬體結構。冰破碎時不易在結構前發(fā)生堆積，冰在結構處發(fā)生破碎時，存在同時破碎現(xiàn)象，則認為此類結構為窄體結構。從風電基礎分析來看，屬于窄體結構。對冰區(qū)窄體結構的冰荷載進行的研究總結出了海冰與窄體結構相互作用的冰荷載模型和結構響應特點[4-6]。但這些研究主要集中在海洋石油平臺的抗冰設計上。

對于在渤海地區(qū)建立風電場面臨的海冰荷載需要深入研究。本文通過海上風機面臨的一般動荷載，以及渤海海上石油平臺面臨的動冰荷載情況[7-8]分析冰區(qū)海上風機基礎可能面臨的動荷載情況，并通過數(shù)值模擬的方法分析風機在這些動荷載作用下的響應。

1風機動荷載模型

對于冰區(qū)海上結構所面臨的動力荷載主要有風、波浪，以及冰。由于目前海上風電場多建立在無冰區(qū)，未考慮過海冰對風電基礎的影響情況。從已有的寒區(qū)平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看[9]，動冰力能夠引起海上結構較大的響應。因此，要在冰區(qū)建立海上風電場，需要分析風、波浪，以及冰等動力荷載對風機的作用。

1.1風荷載

在風的時程曲線中，瞬時風速是由平均風和脈動風組成，脈動風周期較短，其作用性質完全為動力。因此，結構上的風荷載可以分為靜風荷載和脈動風荷載進行分析。脈動風荷載可以由脈動風速譜計算得到。

脈動風速用來描述風速的一個隨機特性，風速的大小隨著時間在不斷的變化。假定風速隨時間是一個隨機正態(tài)分布。A.G.Davenport等[10]根據(jù)不同地區(qū)，不同高度實測的風速統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立了一種不隨高度變化的風速譜：

(1)

(2)

由于地面摩擦的影響，平均風速在越接近地面的地方越小，A. G. Davenport等根據(jù)實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)提出了下式，來描述風速隨高度變化的規(guī)律。

(3)

當結構上某點的脈動風壓達到最大值時,與該點有一定距離的另一點的脈動風壓一般不會同時達到最大值。在一定的范圍內，離該點越遠，脈動風壓同時達到最大值的可能性越小，這種性質稱為脈動風的空間相關性，空間上任意2點的脈動風都具有相關性，可以利用互譜密度函數(shù)來表示任意2點的相關性。

(4)

式中：S(f)ii、S(f)jj分別為i、j兩點的功率譜密度函數(shù)；φ(i,j,f)為相干函數(shù)，對于三維問題有如下形式[10]：

(5)

為了模擬風荷載的時程，需要確定風速的時程，采用線性濾波法[11]來建立風速時程，計算風荷載時程。

1.2動冰荷載模型

直立結構是冰區(qū)最早出現(xiàn)的結構形式，冰與直立結構作用的根本問題在于冰的物理力學行為，以及冰與直立結構作用發(fā)生破碎過程。通過對試驗現(xiàn)象的觀察及對試驗數(shù)據(jù)的分析，針對工程應用的冰荷載，冰激振動研究取得了較大進展。有學者分析各自試驗中得到的冰荷載數(shù)據(jù)，提出了直立結構上的冰荷載應該根據(jù)冰破碎模式不同分別進行分析的思想[12-14]。通過對不同冰速下的冰與結構作用監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當冰與結構相互作用的速度增加到一定程度時，冰的破碎頻率和結構的振動產(chǎn)生耦合。結構在與其基頻相同頻率的冰力作用下發(fā)生類似簡諧形式的穩(wěn)態(tài)振動。冰力又反過來被結構振動控制，形成頻率與振動頻率一致的鋸齒形冰力。

當冰與結構發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動時，結構的振幅較大，持續(xù)時間較長。圖1是實測的冰致自激振動過程中，冰力和結構振動位移的同步耦合時程曲線，其中鋸齒狀的是冰力時程，光滑曲線是結構的振動位移，從圖中可以看出結構振動與冰荷載發(fā)生同步響應。

圖1　冰激穩(wěn)態(tài)振動時冰力和結構振動位移的耦合時程曲線

為了能夠分析穩(wěn)態(tài)振動時冰對直立結構的冰力時程，T. K?rn?[12]根據(jù)渤海實測的自激振動冰力時程，給出了簡化的三角波時域函數(shù)(見圖2)，表征產(chǎn)生自激振動的冰力隨時間的變化特征。

圖2　簡化的穩(wěn)態(tài)冰力時程

Fmax是冰力最大值，可保守取為極值靜冰力，

(5)

式中：K為冰力系數(shù)，根據(jù)渤海地區(qū)的實測數(shù)據(jù)分析得到渤海建議取值0.8；σc為海冰的單軸壓縮強度，MPa；D為海冰與結構的接觸寬度，m；h為海冰的厚度，m。

ΔF=qFmax，q=0.1～0.5，本文選取0.4；Fmean是冰力平均值，可通過Fmax-ΔF/2計算；T為冰力周期，計算中可近似取為結構固有周期；α是加載階段系數(shù)，通常選取0.6～0.9，本文取0.8。

從渤海地區(qū)多年的實測數(shù)據(jù)分析來看，結構在冰激穩(wěn)態(tài)振動時，結構的響應最劇烈，因此分析結構冰激穩(wěn)態(tài)振動下的響應，可以校核結構在動冰力荷載下的最大響應情況。

2基于數(shù)值模擬的風機動荷載分析

以渤海地區(qū)擬建風電基礎為例，分析結構在風荷載和動冰荷載作用下的響應情況，確定海冰是否對風機結構響應起到控制作用。利用ANSYS有限元軟件建立風機模型，風機結構采用shell181單元，風機基礎為三樁形式，采用6倍樁徑法建立風機泥面以下基礎，結構的有限元模型見圖3。

圖3　風機三樁基礎模型

模態(tài)分析得到結構前4階頻率，見表1。

表1　風機前4階頻率　Hz

分析發(fā)現(xiàn)，風電基礎結構的基頻為0.34 Hz，渤海導管架平臺的基頻為1～2 Hz，結構的前3階均是X方向振動、Y方向振動、Z方向扭轉。風電基礎結構的柔度相比導管架平臺更大。

2.1風荷載作用下風電基礎結構的振動分析

通過選取風機上不同位置的7個點(見表2)，利用脈動風的數(shù)學模型，通過MATLAB建立風機各點的風速時程。

表2　風速模擬點位置

選取50年一遇的風速為平均風速25 m/s，分析結構在極端工況下的振動響應。根據(jù)風速譜計算出風機不同點在200 s內的風速值，其中塔筒70 m處和風機葉片上的風速時程曲線如圖4、5所示，利用風速可計算到相應的等效風荷載時程。從圖4、5可以看出，風速具有隨機性。因此，作用在結構上時，風荷載也是一個隨機荷載。

圖4　風機4號點的風速時程曲線

圖5　風機葉片5號點的風速時程曲線

圖6　風機輪轂處的加速度響應曲線

圖7　風機基礎頂部的加速度響應曲線

基于ANSYS瞬態(tài)響應分析，得到風機輪轂及基礎頂部的加速度和位移響應。由圖6、7發(fā)現(xiàn)，在前20 s結構的風振響應較大，并且呈現(xiàn)遞減的趨勢，在20 s以后結構的振動趨于較小隨機振動，這是由于風速是一個隨機的過程，風振頻率與結構的頻率不在一個范圍內，風引起的結構振動是一個隨機振動。風機輪轂處最大的振動加速響應在±750 mm/s2，20 s以后的振動加速響為±200 mm/s2內的隨機振動(見圖6)，位移響應振幅在120 mm內。風機基礎頂部的振動加速度響應為±12.5 mm/s2(見圖7)。從結構的風振情況分析來看，結構的振動在一個合理范圍內。

2.2動冰荷載下風電基礎振動分析

冰激穩(wěn)態(tài)振動是動冰荷載引起的結構響應最強烈的情況。當結構發(fā)生冰激穩(wěn)態(tài)振動時，結構的振幅和加速響應都較大。選取50年一遇的冰況，其中海冰壓縮強度為2.0 MPa，海冰厚度為0.3 m。通過ANSYS中瞬態(tài)分析得到風電基礎結構在冰激振動下的響應，見圖8、9。

圖8　穩(wěn)態(tài)振動下風機輪轂處的加速度響應曲線

圖9　穩(wěn)態(tài)振動下風機基礎應力響應曲線

分析發(fā)現(xiàn)，海冰能引起風機結構強烈的穩(wěn)態(tài)振動。風機輪轂處的加速度響應達到900 mm/s2(見圖8)，并且結構的穩(wěn)態(tài)振動持續(xù)時間較長，對風機的上部結構安全有巨大影響。主要原因是海冰的破碎頻率鎖定在結構的固有頻率上，引起了結構的振動增強。風機輪轂處的位移響應幅值為400 mm，較風荷載顯著增大。冰振下風電基礎結構的熱點應力曲線見圖9，應力幅值達到45 MPa，長時間的冰激振動可能會導致結構的疲勞破壞，需要開展冰振結構疲勞累積損傷及壽命估計。

風電基礎在海風與海冰作用下結構振動響應的對比見表3，發(fā)現(xiàn)風機輪轂處的振動響應比較大，風振下結構振動的持續(xù)時間較短，而冰激結構振動持續(xù)時間較長，振動幅值與結構熱點應力比較顯著?？梢?，冰激振動是結冰海域風電基礎設計校核中的主要控制荷載，寒區(qū)風電場的建設需要重點考慮海冰荷載對風機結構的影響。

表3　風機在風荷載與冰荷載下振動響應對比

3結論

1) 分析冰區(qū)海上風電結構的振動問題，認為風機的振動失效模式可以通過分析冰激穩(wěn)態(tài)振動進行校核。

2) 冰區(qū)海上風電結構設計時可根據(jù)冰激穩(wěn)態(tài)振動分析方法，通過確定風機上部設備的失效加速度，校核冰振下風機結構的振動加速度是否合理，以確保結構更加安全。

3) 通過提取穩(wěn)態(tài)振動下結構的熱點應力，為結構的冰振疲勞失效分析提供初步的判斷。

冰激振動能夠引起風機結構劇烈的穩(wěn)態(tài)振動，通過對比風機結構在風振下響應與冰激穩(wěn)態(tài)振動下的響應，發(fā)現(xiàn)極端工況下冰激振動明顯大于風振響應。基于本文的研究發(fā)現(xiàn)，冰區(qū)海上風電基礎結構的抗冰設計可以考慮如下幾點。

1) 冰區(qū)風電基礎結構設計應以海冰為主要控制荷載，采取合理的冰力模型。

2) 風電基礎結構柔度較大，冰激上部電機振動顯著，應滿足電機及附屬設備的正常運行要求。

3) 冰激風電基礎結構疲勞應力顯著，還需開展詳細的疲勞損傷及壽命估計。

4) 平臺樁腿處安裝抗冰錐體是提高結構抗冰性能的有效措施。

5) 為了降低平臺的冰振，保護上部設施的安全，可以采取冰振控制措施。

海上風力發(fā)電屬于國家新型能源行業(yè)，經(jīng)濟性是首要問題。因此，對于冰區(qū)海上風電開發(fā)，應該合理考慮結構的工程優(yōu)化，包括選型優(yōu)化、結構尺寸優(yōu)化及控制優(yōu)化設計。

參考文獻

[1] 宋礎,劉漢中.海上風力發(fā)電場開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J],太陽能,2006(2):26-28.

[2] 唐壘.淺談我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J],科技創(chuàng)業(yè)月刊,2014(9):44-45.

[3] PEYTON H R. Sea ice strength [R].Alaska： University of Alaska. Geophysical Institute， 1966.

[4] 岳前進,張大勇,劉圓,等.渤?？贡鶎Ч芗芷脚_失效模式分析[J].海洋工程,2008(26):18-23.

[5] 張大勇.基于性能的抗冰導管架結構風險設計研究[D]．大連：大連理工大學．2007.

[6] 劉圓.抗冰海洋平臺動力分析與結構選型研究[D]．大連：大連理工大學，2006.

[7] 李輝輝.海洋平臺冰振失效的預警標準[D].大連:大連理工大學.2004.

[8] 岳前進,李輝輝,于學兵.渤海石油平臺的冰振及其對作業(yè)人員的影響[J].中國海洋平臺,2005,20(3):35-39.

[9] 屈衍,基于現(xiàn)場實驗的海洋結構隨機冰荷載分析[D].大連：大連理工大學,2006.

[10] 王肇民.桅桿結構[M].北京：科學出版社,2001.

[11] 王之宏.風荷載的模擬研究[J].建筑結構學報,1994(1):44-52.

[13] SODHI D, HAEHNEL B. Crushing ice forces on structures[J]. J Cold Regions Engineering, 2003(7):153-170.

[14] 岳前進,杜小振,畢祥軍,等.冰與柔性結構作用擠壓破壞形成的動荷載[J].工程力學,2004(1):202-208.

Vibration Analysis of Offshore Wind Turbine Foundation in Ice Zone

WANG Guo-jun1, ZHANG Da-yong2, LOU Chun-juan2, YUE Qian-jin2, LUO Cheng-xi3

(1 College of Ocean and Civil Engineering, Dalian Ocean University, Dalian Liaoning 116023, China;2 School of Ocean Science and Technology, Dalian University of Technology, Panjin Liaoning 124221, China;3 HydroChina Zhongnan Engineering Corporation, Changsha 410014, China)

Abstract:For offshore wind turbine foundation in ice region, there are less researches, and there is also no ice resistant design specification. The impact of sea ice on the wind turbine foundation is unknown Based on the research results of ice observation and the interaction between ice and structure, it is clear that the ice load model is suitable for offshore wind power. Using the finite element method with ANSYS, the ice induced vibration response of the structure is analyzed and compared with the wind vibration response. The results show that the ice load and wind load is the control load for ice region offshore wind turbine foundation design and check, and it also show that ice induced vibration is significant. So the influence of ice load should be considered in the design of wind turbine foundation in ice region.

Key words:ice region; wind turbine foundation; ice load; ice induced vibration

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.025

收稿日期：2015-12-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51309046)；國家海洋公益性行業(yè)專項項目(201505019)；中國電力建設集團有限公司科技專項項目(SD2013-11)；基本科研業(yè)務費專項(DUT15RC(3)047)；國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室開放基金(LOMFB06)

第一作者簡介：王國軍(1989—)，男，碩士生 E-mail:594683891@qq.com

中圖分類號：U661.44

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0109-05

修回日期：2016-01-23

研究方向:海上風電結構設計分析