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海上风机单桩基础的船舶碰撞分析（译）
Andreea Bela；Herve Le Sourne；, Loiuml;c Buldgen；Philippe Rigo
文章史
2016年3月1日收录；
2016年8月26日收录修订版；
2016年10月24日收录；
2016年11月15日在线用；
关键词
海上风机；船舶碰撞；单桩；非线性有限元分析；耐撞性
摘要
海上风电场位于商船和客船的通航道附近，此处可能会发生船舶碰撞。本文提出的工作旨在了解海上单桩的断裂行为和海上风机单桩在受到船舶碰撞时的机舱动力学。另一目标是深入调查各种参数的影响，例如：船舶撞击速度和位置、风向、土层刚度和船舶撞击的变形。首先，船舶-海上风力发电机（OWT）碰撞实验是用刚性撞击船进行非线性数值模拟，以便更好了解OWT碰撞过程中的结构性能。使用不同的风力发电机配置结构，以探究因土壤条件或荷载情况的改变而引起的性能变化。并对撞击产生的阻力和内能，以及塔顶（机舱）位移和加速度进行了比较。然后，对一艘柔性撞击船进行了另一系列的数值模拟，以研究撞击船的变形能力对OWT性能的影响。结果表明，撞击速度的微小变化可能导致OWT的轻微损伤甚至倒塌等后果。此外，在碰撞过程中OWT对风荷载非常敏感，在某些情况下，OWT可能在仅3m/s的碰撞速度下倒塌，而在最坏的情况下可能直接倒落在船舶上。结果表明，在进行碰撞模拟时，考虑地基的弹性尤为重要，因为单桩一般视为固定在基础上，这将会高估碰撞结构的塑性变形。此外，当OWT受到柔性撞击船撞击时，OWT的变形比受到刚性撞击船撞击时的变形小2倍，并且该结构能承受碰撞而不倒塌，撞击速度可达6m/s。
1、导言
一些国家缺乏建设空地和有利的海上风电条件，这大大鼓励了海上风电场的建设。单桩基础由于其制造和安装的简单而广泛用于海上风力发电机（OWT）。因为单桩的整体挠度和振动具有一定的局限性，故单桩最适合用于水深不超过25m的浅水海域。
然而，海上风电场靠近商船和客船的通航道，而这里也很可能是船舶发生碰撞的地点。碰撞事件的后果可能小至轻微的结构损坏，大至OWT支架的倒塌，还有可能造成船舶沉没或环境污染，最坏情况甚至可能造成人命损失。因此，对船舶碰撞事件进行风险分析实乃必要之举。
根据[20]，船舶碰撞事件的特征在于动能、撞击船舶的质量、水动力附加质量和船舶的撞击速度。考虑到撞击船舶和碰撞结构之间应变能耗散的分布，设计原则可分为三种：强度设计、延性设计和能量共享设计[20]。在强度设计中，视碰撞结构（如OWT）只发生较小的变形，碰撞船舶将消耗大部分能量，而在延性设计中，碰撞结构与碰撞船舶相比将发生较大的变形。在能量共享设计中，撞击船舶与碰撞结构之间的能量耗散是共享的。图1给出了碰撞结构和撞击船舶相对强度的能量耗散。
在NORSOK N-004标准[20]中，给出了碰撞结构和撞击船舶的载荷-变形关系，如图2所示。
海上风电机组支撑结构可以理想化为具有两种变形模式（局部变形和整体变形）的圆柱管。局部变形模式是在撞击点周围的小区域内进行局部冲击。许多作者如[1,9,10,23,26]或[15]已经对此方面进行了分析研究，并推导了计算冲击力的公式。此外，参考文献[5]研究了撞击船舶船艏形状的影响，他开发了一个圆柱形超级单元，该单元是在一种更为通用的分析工具中进一步实施的，目的是研究风机导管架的耐撞性[17]。
除了局部变形外，OWT支架还会发生整体变形。 这方面在文献中少有考虑。参考文献开发的模型[15]为了研究被楔形物体撞击的管道的行为，考虑了局部和整体的变形。最近，文献[13]建立了管状构件（如导管架）在横向冲击下的结构变形和能量耗散模型。 文献[24]研究了《海上钢平台在船舶撞击下的动力学研究》。在文献[21]中Pedersen分析研究了受船舶撞击时仅发生弹性变形的柔性OWT的外部动力学，该行为适用于小撞击速度。对于较高的撞击速度，结构也会发生塑性变形。文献[14]研究了梁的动态塑性性能，此文献中研究了简支梁、悬臂梁和全固定梁。
图1. 强度、延展性和共享能量设计的能量耗散
图2. 撞击船舶和碰撞结构的应变能耗散
结果表明，局部冲击（局部模式)引起的截面减小可能对结构的整体净弯曲能力(整体模式）有很大的影响。 若忽略该方面影响，将会高估结构的抗碰撞能力。 因此，在计算中不宜将结构的局部变形模式和整体变形模式分开。
同时还对船舶/OWT碰撞事件进行了数值研究。然而，只有少数论文涉及到单桩地基。 文献[6]中Cho和Kim一具有单桩地基的OWT进行了动态碰撞分析，得到了不同破坏程度的脆性曲线，该曲线可用于限制OWT周围船舶的航行速度和限制尺寸。 参考文献还进行了非线性数值模拟。 文献[3]针对一具有单桩地基的OWT，研究了某些参数对碰撞过程中结构性能的影响。参考文献[7]对单桩与带有登船结构的工作船的碰撞进行了7种碰撞情形的数值模拟，其中包括正面碰撞、操纵碰撞和漂移碰撞等。 研究强调，OWT的最大反作用力发生在船舶直接撞击结构物时而非撞击登船结构物时。文献[4]通过数值模拟研究了单桩、三脚架和导管架地基的性能。 参考文献[2]对船舶导管架腿柱碰撞事件进行了数值模拟。该文献中建立了载荷-侵深关系，此关系可用于直径在1.5-2.2米范围内的导管架腿柱的强度设计，以防止船舶碰撞事件的发生。 参考文献[25]对船舶撞击海上导管架腿柱进行了数值模拟，同时还进行了广泛的参数研究，以研究撞击速度、船艏刚度、管桩尺寸等参数的影响。 参考文献[16]还研究了受到船舶碰撞的导管架的响应性能。导管架支承系统的耐撞性分析表明，由于重力荷载和土体刚度对结构性能的影响较小，故可以忽略不计。
为减少船舶碰撞对碰撞结构的损害程度，不少文献还提出了一些保护措施，如防撞挡板[18]和[22]或自适应充气结构[11]。然而，这些保护措施目前仍处于研究阶段。
本研究的目的是从数值上研究具有单桩支撑结构的OWT受船舶撞击时的性能。
在论文的第一部分中，撞击船舶视为刚性，同时研究了不同参数（撞击速度、撞击位置、风荷载和边界条件）对碰撞结构性能的影响。
在第二部分中，进行了柔性海上工作船（OSV）的碰撞模拟，并研究了OWT与撞击船之间耗散能的分布。
- 数值船舶/OWT碰撞分析
利用显式时间积分求解器LS-DYNA对船舶-OWT碰撞事件进行了数值模拟。数值模拟所考虑的OWT高度为115米，吊舱质量为350吨。所研究结构的主要结构特征见表1。
在此研究中，对排水量分别为5000吨和3000吨的两艘近海工作船进行了碰撞模拟。
2.1. 有限元模型的描述
利用预处理器MSC PATRAN建立了有限元模型。该结构由三个主要部分组成：单桩、过渡连接段和塔筒。 作为对F.E.模型的简化，风机的吊舱和转子叶片未用有限元件建模，而是由位于塔筒顶部的集中质量所代替，并作为*ELEMENT_MASS[12]引入LS-DYNA数据文件中。集中质量被分配到塔顶截面的中心节点，该节点通过一组刚性梁与塔筒进行刚性连接，如图3所示。 假定过渡连接段与单桩重叠部分超过7米，且塔和过渡连接段之间视为刚性连接。
表1 .
OWT的特点
|
海上风力涡旋机 |
||
|
单桩 |
直径（底） |
5m |
|
直径（顶） |
4.3m |
|
|
厚度 |
0.07m |
|
|
过渡连接段 |
直径 |
4.3m |
|
厚度 |
0.06m |
|
|
塔筒 |
直径（底） |
4.3m |
|
直径（顶） |
3m |
|
|
厚度 |
0.045m |
|
|
高度 |
115m |
|
|
吊舱质量 |
350t |
|
|
水深 |
25m |
|
图3. OWT的有限元模型
整个F.E.模型的网格大小并不均匀。 在OWT和撞击船舶之间的接触区域、泥线附近以及结构顶部使用了20厘米的细网格。对于结构的其余部分，则使用50厘米的粗网格（图4)。
用Beletchko-Tsai壳体单元[12]对OW T壁结构进行建模，且其厚度为五个积分点。 利用LS-DYNA中的分段线性可塑性定律，通过真实应力-对数塑性应变曲线来描述单桩材料的弹塑性性能。真实应力-应变曲线如图5所示。
图4. FE模型的网格尺寸
图5. 适用于OWT的真实应力-应变曲线
在严重条件下，船舶碰撞可能引起大变形和应力，且该应力可能超过钢材的屈服应力，从而导致结构构件断裂。 在LS-DYNA侵深定律中引入了一个破坏应变，并根据[19]计算了相应的断裂阈值：
（1）
其中，是破坏应变，是均匀应变，是颈缩应变，是壁厚，是所考虑部分的平均单元尺寸。 在本工作中使用的均匀应变和颈缩应变值为：m，m。
数值模拟中所考虑的撞击船并非完全模拟。 在论文的第一部分中，撞击船舶视为刚性的，只有船艏船体是用刚性壳单元建模。 船舶其余部分由一个刚性部分描述，该部分可正确地定义船舶的重心、质量和惯性矩阵。
在论文的第二部分中，研究了撞击船舶变形能力的影响，该部分仅用Belytschko e-Tsay壳单元模拟船艏的主要结构构件，船舶其余部分则用一个刚体来表示。用于LS-DYNA计算的船舶本构材料的真应力-应变曲线如图6所示。
为避免显式时间积分解在长时间的物理过程中有时会出现数值的不稳定性，本文采用4%的最低频率模态临界阻尼因子对系统进行阻尼。
在结构上施加重力荷载和风荷载累进加载曲线，以确保在不产生任何冲击的情况下逐渐加载。 本研究中使用的加载曲线将在5s时达到最大值，并且在模拟开始后6s发生碰撞，如图7所示。
用来表征加载曲线的函数定义为：
（2）
图6. 近海工作船的真实应力-应变曲线
图7. 样品加载曲线
所有的数值模拟都是为了研究OWT（以及视为可变形的柔性撞击船）在30秒内的结构特性。
2.2. OWT的模态分析
在对船舶碰撞事件进行数值模拟之前，需要固有频率和振型等有关数据。 首先，对具有表1中特征的OWT进行了模态分析。 视该结构固定在地基上。 表2和图8给出了由此产生的模态特性。
基于此数据，将计算LS-DYNA中用于碰撞模拟的阻尼因子。
2.3. 与刚性撞击船的碰撞模拟
研究了OWT单桩与近海工作船(OSV)的一系列碰撞事件。 OSVF.E.模型如图9所示，其主要特点如表3所示：
表2.
固定在泥线上的OWT的模态特征
|
Eige模式 |
周期（T）[s] |
频率（f）[Hz] |
|
1 |
4.66 |
0.21 |
|
2 |
0.60 |
1.62 |
|
3 |
0.22 |
4.48 |
图8. 固定在泥线上的OWT的振型
图9. OSV刚体
表3. 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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