摘要：近年來(lái)，漂浮式海上風(fēng)機(jī)的發(fā)展受到了廣泛的關(guān)注。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的海上浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)方法無(wú)法完全滿足其整體系統(tǒng)的分析和支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估。本文對(duì)浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，首先，提出了一套包含風(fēng)機(jī)、浮式基礎(chǔ)及系泊系統(tǒng)的全系統(tǒng)的耦合分析流程;在此基礎(chǔ)上，采取時(shí)域勢(shì)流理論及載荷傳遞方法，研究了支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算和疲勞損傷的評(píng)估方法。

本文之后完成了某一漂浮式風(fēng)機(jī)概念的算例研究，采用相應(yīng)的方法建立了水動(dòng)力及結(jié)構(gòu)有限元模型，完成了頻域、時(shí)域水動(dòng)力分析，系統(tǒng)耦合分析及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和疲勞校核。對(duì)這一方法的使用，本文總結(jié)了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)后續(xù)進(jìn)一步的研究提出了展望。

關(guān)鍵詞：漂浮式風(fēng)機(jī)，時(shí)域耦合分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

介紹

風(fēng)能的開發(fā)在可再生能源中的應(yīng)用十分重要，世界各國(guó)都在大力發(fā)展包含風(fēng)電技術(shù)在內(nèi)的各種新能源技術(shù)。相較于陸上風(fēng)電開發(fā)，海洋風(fēng)能資源較陸地更為豐富穩(wěn)定，適合大兆瓦風(fēng)機(jī)的開發(fā)和利用。目前新開發(fā)的海上固定式風(fēng)機(jī)已普遍采用6兆瓦以上機(jī)型，而10兆瓦甚至12兆瓦的大型風(fēng)機(jī)也已完成開發(fā)和生產(chǎn)組裝。大型風(fēng)機(jī)的使用，將進(jìn)一步降低風(fēng)電開發(fā)和運(yùn)營(yíng)成本。經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展與探索，隨著海洋風(fēng)電技術(shù)日益進(jìn)步，海洋風(fēng)電開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)下新能源技術(shù)開發(fā)和利用的主要形式之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)水深超過(guò)50-60米后，傳統(tǒng)的固定式基礎(chǔ)在環(huán)境載荷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝施工等方面都會(huì)面臨較大的挑戰(zhàn)。而另一方面，深遠(yuǎn)海離岸較遠(yuǎn)，風(fēng)場(chǎng)較淺海海域，風(fēng)速更強(qiáng)且更穩(wěn)定，加之深遠(yuǎn)海海域空間廣闊，風(fēng)能儲(chǔ)藏量極大，特別適合安裝大型風(fēng)機(jī)機(jī)組。如能長(zhǎng)期、大規(guī)?；乩么笮惋L(fēng)機(jī)進(jìn)行海洋風(fēng)力發(fā)電，將能有效降低海洋風(fēng)力發(fā)電的度電成本。因此，適用于深遠(yuǎn)海并能夠支撐大型化風(fēng)機(jī)的浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)被廣泛的研究。從安裝的角度講，浮式風(fēng)機(jī)可以在近岸碼頭進(jìn)行組裝，從而免去海洋固定式風(fēng)機(jī)耗時(shí)、昂貴的海上起重、吊裝作業(yè)。浮式風(fēng)機(jī)對(duì)水深條件的適用性良好，因此能夠?qū)崿F(xiàn)單一浮式風(fēng)機(jī)概念的批量化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，進(jìn)一步降低浮式風(fēng)機(jī)的開發(fā)成本。

在過(guò)去的十幾年間，多座試驗(yàn)性的非全尺寸樣機(jī)在歐美和亞洲的部分國(guó)家安裝運(yùn)行，取得了大量有價(jià)值的設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。目前國(guó)際上建成或者在建的主要示范商業(yè)項(xiàng)目包括蘇格蘭的Hywind項(xiàng)目和葡萄牙的WindFloat項(xiàng)目，如圖1和圖2所示。

我國(guó)國(guó)內(nèi)目前有一個(gè)示范項(xiàng)目（三峽陽(yáng)江示范項(xiàng)目）已完成浮式基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)建造下線，正等待運(yùn)輸安裝，后續(xù)還有2-3個(gè)示范項(xiàng)目正在開展。

從技術(shù)層面上，浮式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)平臺(tái)主要參考浮式油氣平臺(tái)的設(shè)計(jì)，但是兩者的安全級(jí)別和用途具有差異性，因此浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)仍具有較大的優(yōu)化空間。浮式風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)與氣動(dòng)載荷耦合導(dǎo)致的“氣動(dòng)負(fù)阻尼”問(wèn)題，也將挑戰(zhàn)相關(guān)控制系統(tǒng)的開發(fā)。由于水平氣動(dòng)推力的作用，浮式風(fēng)機(jī)將不可避免產(chǎn)生平均位移偏置和傾斜，使得系泊系統(tǒng)產(chǎn)生不均衡的張力狀態(tài)，這也有別于傳統(tǒng)油氣工業(yè)的浮式系統(tǒng)。

浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

本文主要研究浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，一是包含風(fēng)機(jī)（葉片、控制系統(tǒng)等）、浮式支撐結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)的全系統(tǒng)耦合計(jì)算;二是采用時(shí)域載荷傳遞的結(jié)構(gòu)分析。下面對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)及最終的全系統(tǒng)分析進(jìn)行說(shuō)明。

1. 時(shí)域耦合計(jì)算

對(duì)于傳統(tǒng)的陸上或者固定式海上風(fēng)機(jī)，支撐結(jié)構(gòu)能提供相對(duì)剛性的支撐，“超單元”（Superelement）分析方法可以將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以一組矩陣的形式傳遞給交接面/點(diǎn)（Interface Point），能夠在非全耦合的情況下對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)變形進(jìn)行較好的全局考慮。而對(duì)于漂浮式風(fēng)機(jī)，初步研究表明，用于固定式基礎(chǔ)的風(fēng)機(jī)機(jī)型在漂浮式風(fēng)機(jī)概念上的應(yīng)用中，主要應(yīng)考慮塔筒、尤其是控制系統(tǒng)的優(yōu)化。然而，與固定式基礎(chǔ)相比，浮式基礎(chǔ)具有較大的剛體位移（與之相比其自身變形成為小量），而風(fēng)機(jī)葉片對(duì)于這種運(yùn)動(dòng)，例如縱傾十分敏感，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)面5度的縱傾或能帶來(lái)約20%的受力變化。另一方面，浮式基礎(chǔ)平臺(tái)的系泊定位系統(tǒng)本身也是一個(gè)非線性系統(tǒng)，如果考慮相對(duì)淺水或者組合錨鏈形式、非金屬材料等的使用等，系統(tǒng)非線性進(jìn)一步增強(qiáng)。因而整個(gè)浮式基礎(chǔ)和系泊系統(tǒng)無(wú)法像固定式基礎(chǔ)一樣作為一組矩陣來(lái)和風(fēng)機(jī)一起計(jì)算。

基于上述挑戰(zhàn)，本文認(rèn)為，從系統(tǒng)分析的角度講，可以考慮將空氣動(dòng)力學(xué)、浮式結(jié)構(gòu)物勢(shì)流理論和柔性桿件模型統(tǒng)一放在一個(gè)系統(tǒng)下，分別模擬風(fēng)機(jī)、浮式基礎(chǔ)平臺(tái)和系泊系統(tǒng)，采用全時(shí)域耦合分析的方法 [3]。

其中風(fēng)機(jī)葉片的載荷采用的是葉片元素動(dòng)量（Blade Element Momentum，BEM）理論。該理論結(jié)合了動(dòng)量理論和葉片元理論，基于經(jīng)驗(yàn)升力和阻力系數(shù)，在機(jī)翼上局部產(chǎn)生的力與流過(guò)轉(zhuǎn)子盤的空氣動(dòng)量的變化相平衡[4]。

對(duì)浮式支撐結(jié)構(gòu)而言，首先通過(guò)頻域勢(shì)流理論得到其水動(dòng)力系數(shù)，如質(zhì)量/剛度矩陣、附加質(zhì)量和勢(shì)流阻尼系數(shù)、一階及二階波浪力等。在時(shí)域求解內(nèi)，波浪力可以表達(dá)為以下形式[5]

其中 和 分別為一階和二階波浪力， 為三階（或更高階）波浪力， 和 則為一階和二階脈沖響應(yīng)函數(shù)。

在本文的耦合系統(tǒng)分析中，系泊系統(tǒng)（及其它柔性結(jié)構(gòu)物）采用空間離散有限元系統(tǒng)模型，其動(dòng)態(tài)平衡一般可以表示為[6]

其中 和 分別為慣性力向量、阻尼力向量、結(jié)構(gòu)內(nèi)響應(yīng)力向量和外部載荷向量，而 和 分別代表結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、速度和加速度。

在分析過(guò)程中，上述的風(fēng)機(jī)模型、浮體水動(dòng)力模型和系泊系統(tǒng)模型通過(guò)超節(jié)點(diǎn)（Supernode）進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)在每一時(shí)間步長(zhǎng)的實(shí)時(shí)耦合求解。

2. 時(shí)域載荷傳遞及結(jié)構(gòu)分析

浮式平臺(tái)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的另一關(guān)鍵技術(shù)。其相關(guān)規(guī)范通常以滿足風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為前提，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)物形式，以傳統(tǒng)海工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)制定相應(yīng)的參考和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)兼顧漂浮式風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，提出了很多新的有針對(duì)性的要求。

從結(jié)構(gòu)分析的方法來(lái)看，傳統(tǒng)的船舶和海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循的通常是頻域設(shè)計(jì)波法，即首先在頻域水動(dòng)力載荷計(jì)算及長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同平臺(tái)形式設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和規(guī)范要求，確定極限環(huán)境載荷工況（設(shè)計(jì)波），之后針對(duì)確定的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。疲勞分析也通常是基于頻域載荷在長(zhǎng)期波浪分布條件下的累計(jì)損傷來(lái)確定。

然而，對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)而言，首先風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)工況有十分明確的定義，其計(jì)算通常要求在時(shí)域內(nèi)完成。其次，即使是“借鑒”油氣平臺(tái)設(shè)計(jì)概念，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并無(wú)充分的歷史經(jīng)驗(yàn)和參考，因而無(wú)法明確地找到所謂“典型截面”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)報(bào)。進(jìn)一步的，在疲勞計(jì)算中，因?yàn)槠趽p傷同載荷及結(jié)構(gòu)應(yīng)力并不是線性關(guān)系，不同載荷過(guò)程，例如風(fēng)機(jī)載荷、風(fēng)浪流載荷以及錨鏈載荷等，產(chǎn)生的疲勞損傷并不能簡(jiǎn)單的分別計(jì)算再加以疊加。因而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須遵從時(shí)域耦合計(jì)算和載荷傳遞的方法，綜合考慮不同載荷過(guò)程對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

本文在結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用了時(shí)域勢(shì)流理論和載荷傳遞[7]，在每一時(shí)間步長(zhǎng)下滿足如下邊界條件：

其中， 為定常流（Basic Flow）速度勢(shì)， 和 分別為L(zhǎng)ocal Flow，Memory Flow和入射波（Incoming wave）速度勢(shì)。 和 分別是Memory flow和入射波的自由液面升高。

結(jié)構(gòu)的時(shí)域疲勞評(píng)估采用雨流法[8]。

3. 全系統(tǒng)的耦合分析和結(jié)構(gòu)評(píng)估

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，圖3顯示了一種時(shí)域耦合分析、載荷傳遞及結(jié)構(gòu)疲勞和強(qiáng)度校核的流程[3]。其主要步驟簡(jiǎn)述如下：

· 建立浮式基礎(chǔ)的水動(dòng)力和結(jié)構(gòu)模型;

· 采用頻域勢(shì)流理論計(jì)算浮式基礎(chǔ)的水動(dòng)力系數(shù)，如附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)、一階和二階波浪力傳遞函數(shù)等;

· 將上述系數(shù)導(dǎo)入耦合分析系統(tǒng)，建立風(fēng)機(jī)和系泊系統(tǒng)模型，進(jìn)行全系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析;

· 將風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)、系泊系統(tǒng)及塔筒受力等時(shí)歷輸出，在時(shí)域勢(shì)流理論求解器中重現(xiàn)相關(guān)波浪及運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行時(shí)域載荷傳遞;

· 利用上述載荷，在結(jié)構(gòu)求解器中進(jìn)行時(shí)域分析，之后進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞評(píng)估。

漂浮式風(fēng)機(jī)分析實(shí)例

本文分析的對(duì)象基于工業(yè)聯(lián)合項(xiàng)目OC5（Offshore Code Comparison Collaboration，Continuation）中提供的三柱半潛式平臺(tái)DeepCWind概念，其主要尺寸如圖4和表1所示[9]。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參考[10]。

圖5和6顯示的是浮式基礎(chǔ)的概念模型和艙室模型。這兩個(gè)模型用于生成頻域水動(dòng)力計(jì)算的面元模型和載荷傳遞及分析的結(jié)構(gòu)模型，分別如圖7和8所示。在頻域分析中，基于勢(shì)流理論的計(jì)算僅需要面元單元，因而圖7中無(wú)Morison桿件模型。

圖9和10顯示的是葉片的某一單元的截面幾何翼型參數(shù)及其升阻力系數(shù)。

完整的風(fēng)機(jī)和塔筒模型如圖11所示。本次計(jì)算中，采用3根懸鏈線形式的系泊纜，圖12顯示的是整體耦合分析模型。

圖13顯示的是時(shí)域勢(shì)流理論分析模型，注意到這里包含自由液面的有限元模型，用于求解滿足方程（3）中的邊界條件。

在結(jié)構(gòu)疲勞分析的過(guò)程中，對(duì)于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位置，例如支撐桿件同立柱的連接處，桿單元模型無(wú)法得到詳細(xì)的應(yīng)力分布，因而通常要使用局部細(xì)化子模型。圖14顯示的經(jīng)細(xì)化后的連接處的有限元模型。

頻域水動(dòng)力分析及時(shí)域耦合計(jì)算結(jié)果

圖15-17顯示的浮式基礎(chǔ)的垂蕩、縱搖和橫搖在0°、15°、30°和45°浪向下的運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)（Response Amplitude Operator，RAO），其中三個(gè)方向上分別添加了5%和3%的臨界阻尼系數(shù)。在不考慮風(fēng)機(jī)及系泊系統(tǒng)的情況下，三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)都避開了常見(jiàn)的波浪周期，幅值也在合理的范圍內(nèi)。由于前述的耦合因素的影響，這些RAO結(jié)果僅能作為初步設(shè)計(jì)的參考，接下來(lái)需進(jìn)行時(shí)域耦合分析。

圖18-20顯示的一階波浪力在x和z方向上的RAO，以及x方向上的平均波浪力RAO。這些參數(shù)將用于時(shí)域耦合計(jì)算。

在本文的時(shí)域耦合分析中，波浪和風(fēng)的方向設(shè)定為0°，采用3參數(shù)JONSWAP譜，其有義波高和譜峰周期分別為6米和10秒。定常風(fēng)速為8米/秒。

圖21-23顯示的是縱蕩、垂蕩和縱搖三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的（部分）時(shí)歷曲線?？梢钥吹剑v蕩方向上主要為低頻主導(dǎo)，垂蕩和縱搖方向則主要為波頻運(yùn)動(dòng)。

圖24顯示的是三根錨鏈張力的時(shí)歷曲線，其中迎浪方向上的錨鏈?zhǔn)芰^大。三根錨鏈的受力均由低頻力占主導(dǎo)，符合平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)特性。

進(jìn)一步的，通過(guò)傅里葉變換，得到縱蕩、垂蕩和系泊纜受力的能量譜密度，如圖26-28所示。圖中清楚地顯示了波頻響應(yīng)和低頻響應(yīng)的范圍和大小。這些分析進(jìn)一步驗(yàn)證了時(shí)域耦合分析的必要性。

浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)時(shí)域勢(shì)流理論計(jì)算，得到圖29顯示的（某一時(shí)刻）的載荷分布，可以看到計(jì)算中同時(shí)考慮了面元載荷和支撐桿件上受到的Morison力。

通過(guò)時(shí)域結(jié)構(gòu)分析，圖30和31顯示的是某一時(shí)刻面單元上的VonMises應(yīng)力分布和桿件單元上軸向力分布圖。

圖32和圖33顯示的是局部細(xì)化模型上的應(yīng)力分布，以及（部分）疲勞分析的結(jié)果。

結(jié)論和展望

本文首先總結(jié)了漂浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)分析的相關(guān)理論，包含葉片元素動(dòng)量理論、頻域和時(shí)域勢(shì)流理論及耦合系統(tǒng)分析理論等，研究了整體系統(tǒng)及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，提出了全耦合時(shí)域分析及載荷傳遞和結(jié)構(gòu)分析的流程。之后基于DeepCwind概念，完成了上述流程的算例計(jì)算研究。首先建立了頻域分析面元模型，評(píng)估了該結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性，并得到了一階和二階波浪力等水動(dòng)力系數(shù)。在時(shí)域分析系統(tǒng)中，建立了風(fēng)機(jī)、浮式基礎(chǔ)和系泊系統(tǒng)的耦合模型，初步分析了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊系統(tǒng)受力等。在時(shí)域載荷傳遞分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)某一海況計(jì)算了支撐浮體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，建立了局部細(xì)化模型并校核了疲勞損傷。本文的研究與嘗試，對(duì)于漂浮式風(fēng)機(jī)這一新興浮式結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

通過(guò)本文的研究與嘗試發(fā)現(xiàn)，采用新的全時(shí)域耦合分析和載荷傳遞，對(duì)傳統(tǒng)的分析方法和分析工具都帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。例如，由于風(fēng)載荷的頻率較高，時(shí)域分析的時(shí)間步長(zhǎng)通常較小，而平臺(tái)設(shè)計(jì)的不規(guī)則波浪時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，從而造成巨大的計(jì)算量和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量，加之風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中的工況組合要求較多，使得整個(gè)分析和結(jié)果評(píng)估過(guò)程變得非常耗時(shí)。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是個(gè)循環(huán)的過(guò)程，如果每一輪的設(shè)計(jì)都實(shí)現(xiàn)這一完整的時(shí)歷耦合計(jì)算分析的話，將大大延長(zhǎng)整個(gè)設(shè)計(jì)周期。后續(xù)將進(jìn)一步研究在不同設(shè)計(jì)階段，采用不同設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的可能性，同時(shí)考慮引入云計(jì)算，希望通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程和不同設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)接口，大幅提高設(shè)計(jì)效率。

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