CN108229043B - 考虑涡激效应的深海spar型浮式风机疲劳损伤分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机系缆疲劳损伤分析方法，包括以下步骤：(1)分析SPAR型浮式风机的涡激运动现象，并得到SPAR型浮式风机的整体受力特性、运动轨迹和响应频率；(2)基于FAST软件，在作业海况和生存海况条件下，分析SPAR型浮式风机在风载荷、浪载荷及流载荷联合作用下的运动响应时程及系缆受力情况；(3)根据Miner线性疲劳损伤叠加理论、S‑N曲线和雨流计数法编写MATLAB程序，分别进行风机涡激载荷和风浪载荷单独作用下的疲劳损伤分析，进而得到系缆在其设计寿命内总的疲劳损伤，为正确评估浮式风机的动力响应以及系缆疲劳损伤提供有效的解决策略。

Description

考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法

技术领域

本发明涉及SPAR型浮式风机疲劳损伤研究领域，具体涉及一种考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法。

背景技术

风力发电作为风能利用最重要的形式，越来越受到世界各国的重视，和陆上风电场相比，海上风电场具有高风速、风况稳定、土地资源占用少、工作时间长和适合大规模开发等优点，相对来说，海上风电的发展前景是非常广阔的。然而随着海洋风机工作水深逐渐变大，风机工作的环境也变得越来越复杂，风载荷、浪载荷及流载荷等主要载荷的不断变化引起了风机系统的疲劳损伤，分析海洋风机在复杂环境载荷作用下的疲劳损伤，对其设计寿命期间的安全作业有极其重要的意义。尤其对于SPAR型浮式风机来说，由于其独特的深吃水单立柱式结构形式，对其疲劳分析显得更为复杂，而目前国内外很少有对SPAR型浮式风机进行疲劳损伤分析的有效手段和方案，尤其是考虑涡激效应对结构和系缆疲劳损伤的影响更是鲜有研究。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供一种考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，以便为今后的工程设计及施工提供参考。

本发明是采用以下的技术方案实现的：考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，包括以下步骤：

A、分析SPAR型浮式风机的涡激运动现象，获得SPAR型浮式风机的整体受力特性、运动轨迹和响应频率；

B、基于FAST软件，在作业海况和生存海况条件下，分析SPAR型浮式风机在风载荷、浪载荷及流载荷联合作用下的运动响应时程及系缆受力情况；

C、对涡激效应下SPAR型浮式风机的疲劳损伤进行分析，具体包括以下步骤：

C1、根据Miner线性疲劳损伤叠加理论、S-N曲线和雨流计数法编写MATLAB程序，分别进行风机涡激载荷和风浪载荷单独作用下的疲劳损伤分析；

C2、在确定风浪载荷造成疲劳损伤度与涡激荷载造成的疲劳损伤度后，将二者产生的疲劳损伤根据Miner线性累积损伤理论进行线性叠加，进而得到系缆在其设计寿命内总的疲劳损伤，为正确评估SPAR型浮式风机的动力响应以及系缆疲劳损伤提供了有效的解决策略。

进一步的，所述步骤A中，在对SPAR型浮式风机的涡激运动现象分析时，具体包括以下步骤：

A1、基于ADINA软件，根据实际SPAR型浮式风机结构，建立其二维数值仿真模型；

A2、建立结构弹性系泊涡激运动的力学方程；

在保证横荡固有周期和纵荡固有周期相同的前提上，将原系泊系统等效为线性弹簧-阻尼系统，建立其双自由度对应的动力学方程：

其中，m代表结构单位长度的质量；C_x代表结构纵荡的阻尼系数；C_y代表结构横荡的阻尼系数；K_x，K_y代表系泊系统纵荡和横荡的刚度；F_d(t)代表流向阻力，随时间变化；F_l(t)代表横向升力，随时间变化；

A3、基于ADINA软件进行流固耦合分析。

进一步的，步骤A1中，所述数值仿真模型根据SPAR型浮式风机基础的主尺度参数进行设计，建立缩尺比结构模型，所述主尺度参数包括SPAR型浮式风机基础的直径、横荡固有周期、纵荡固有周期、SPAR型浮式风机基础的密度、X轴系泊刚度和Y轴系泊刚度。

进一步的，所述步骤A3具体包括：

(1)计算域确定与网格划分：

计算域采用笛卡尔坐标系，建立水动力计算边界，并选择改进的标准k-ε模型为湍流模型；

(2)验证网格精度和计算效率，网格可靠性测试合格后，分析SPAR型浮式风机涡激运动现象；

(3)输出结构的涡激参数，包括升阻力系数时程，结构振动特性曲线，结构压力云图和速度云图。

进一步的，所述步骤A3中，对选用的湍流模型做如下处理：

(1)考虑流动中的旋转及旋流流动的影响，对湍流黏度进行修正，修正公示如下：

μ_eff＝μ+μ_t，

其中，μ代表动力黏度，μ_t代表湍流黏度；ρ代表流体密度；C_μ代表经验常数；k代表湍动能；ε代表耗散率；

(2)在ε方程中增加约束条件

以反映主流时均应变率；其中，u_i为时均速度；表明该模型中产生项不仅与流动情况有关，而且还是空间坐标的函数，从而使得该模型可以更好的处理高速应变率及流线弯管程度较大的流动。

进一步的，所述步骤B中，对SPAR型浮式风机进行时域响应分析时，主要包括以下步骤：

(1)利用Turbsim模块，根据Kaimal风谱模拟生成风场文件，并输入到空气动力学模块AeroDyn中，从而得到塔架和基础结构应力特性和运动轨迹；

(2)在水动力模块HydroDyn中输入浪和流的条件，在系缆条件模块MAP++中输入系泊系统参数，得到结构运动响应时程及系缆受力情况；

(3)根据输入的环境要素进行时域运动分析，为系缆的疲劳强度评估提供计算依据。

进一步的，所述步骤B中，在对浮式风机进行动力响应分析过程中，还包括利用FASTLink技术对FAST软件和OrcaFlex软件进行接口设计的步骤，在FASTLink耦合模块中，FAST软件将结构的位置和速度向量作为输入文件传入FASTLink中，再将输出文件传递到OrcaFlex中，在OrcaFlex软件中分析得到的水动力和系泊牵引力后通过FASTLink反馈至FAST软件，解决了以往在进行动力分析时，不同软件之间都是独立进行计算分析，在考虑结构动力响应输出的同时无法表达结构的姿态这一技术瓶颈问题，实现了结构的实时动力输出和运动响应输出，使得分析结果能够真实反映结构的动力特性。

进一步的，所述步骤C1包括以下步骤：

(1)通过FAST软件分析风浪载荷引起的系缆张力：

将风浪载荷在0°方向施加在风机结构上，分析不同环境参数条件下风浪载荷引起的系缆张力变化，所述0°方向为建模时X轴正方向；

(2)将各风浪参数、对应的频率以及分析得到的系缆张力导入MATLAB程序中，对系缆的年度疲劳损伤率和疲劳寿命进行评估；

(3)通过ADINA软件，流入射方向为0°，分析在锁定区间折合速度下的浮式风机受到的拖曳力和横向力，并将此拖曳力和横向力导入到ANSYS软件中的AQWA模块，分析涡激载荷单独作用下系缆张力时程；

(4)将此折合速度、对应的频率以及系缆张力时程的导入MATLAB程序中，分析疲劳损伤度。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案通过对SPAR型浮式风机的涡激效应进行研究，揭示涡激运动对于浮式风机的影响程度，并分析涡激现象的存在对于浮式风机运动响应的影响以及对于结构动力响应和系缆疲劳损伤的影响，综合考虑风浪荷载和涡激荷载作用下的疲劳损伤，真实反应出SPAR型浮式风机的疲劳荷载，具有准确性、合理性等优点，对于指导今后工程设计具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例涡激运动系泊系统简化图；

图2为本发明实施例计算域整体网格分布示意图；

图3为本发明实施例在雷诺数Re＝20000时圆柱绕流升阻力系数时程图；

图4为本发明实施例频率比随折合速度变化的关系图；

图5为本发明实施例最大横荡振幅随折合速度变化的关系图；

图6为本发明实施例中不同折合速度时Cd、Cl、X/D和Y/D时历示意图；

图7为本发明实施例中Ur＝5时圆柱附近流速云图和压力云图；

图8为本发明实施例系缆布置及风浪流入射方向示意图；

图9为本发明实施例分析浮式风机动力响应的原理示意图；

图10为本发明实施例所述疲劳损伤分析方法流程图。

具体实施方式

海上风机系缆是风机十分重要的组成部分，其作用是控制浮式风机位置，因此，系缆的安全性和适用性也极其关键。

与其他类型浮式风机相比，SPAR型浮式风机独特的深吃水单立柱式结构导致迎流面积过大，在来流作用下，风机基础结构后方容易引起漩涡脱落，进而发生风机的涡激运动现象。较长时间的涡激运动可能导致系泊系统的破坏，因此研究SPAR型浮式风机运动响应和系缆疲劳寿命时，必须要考虑涡激运动现象对其产生的影响，其研究成果对于指导今后工程设计具有重要的借鉴和指导意义。为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

一种考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，参考图10，主要包括以下步骤：

一、分析SPAR型浮式风机的涡激运动现象，获得SPAR型浮式风机的整体受力特性、运动轨迹和响应频率；

二、基于FAST软件，在作业海况和生存海况条件下，分析SPAR型浮式风机在风载荷、浪载荷及流载荷联合作用下的运动响应时程及系缆受力情况；

三、对涡激效应下SPAR型浮式风机的疲劳损伤进行分析，具体包括以下步骤：

1、根据Miner线性疲劳损伤叠加理论、S-N曲线和雨流计数法编写MATLAB程序，分别进行风机涡激载荷和风浪载荷单独作用下的疲劳损伤分析；

2、在确定风浪载荷造成疲劳损伤度与涡激荷载造成的疲劳损伤度后，将二者产生的疲劳损伤根据Miner线性累积损伤理论进行线性叠加，进而得到系缆在其设计寿命内总的疲劳损伤，为正确评估SPAR型浮式风机的动力响应以及系缆疲劳损伤提供了有效的解决策略。

下面对具体的实施过程做详细的介绍：

一、分析SPAR型浮式风机的涡激运动现象，获得SPAR型浮式风机的整体受力特性、运动轨迹和响应频率：

1、构建SPAR型浮式风机数值仿真模型：

本实施例根据SPAR风机基础主尺度进行设计，并以1:100缩尺比进行缩放，其结构模型主尺度如表1所示：

表1结构模型主尺度

参数	单位	圆柱
			直径	m	0.094
横荡固有周期	s	0.1367
			纵荡固有周期	s	0.1343
密度	kg/m<sup>3</sup>	988.76
			X轴系泊刚度	N/m	4.88
Y轴系泊刚度	N/m	5.06

2、建立结构弹性系泊涡激运动的力学方程：

在保证纵荡和横荡运动相同固有周期的前提下，把原系缆等效成线性弹簧-阻尼系统如图1所示，其双自由度对应的动力学方程如下：

式中，m代表结构单位长度的质量；C_x代表结构纵荡的阻尼系数；C_y代表结构横荡的阻尼系数；K_x，K_y代表系泊系统纵荡和横荡的刚度；F_d(t)代表流向阻力，随时间变化；F_l(t)代表横向升力，随时间变化。

3、采用ADINA软件求解分析流固耦合问题：

ADINA软件分析流固耦合问题时，需要先在CFD模块建立流体模型，在Structures模块建立结构模型，然后通过使用ADINA软件求解器来分析流固耦合问题，针对本方案所述的SPAR型浮式风机来说，具体如下：

(1)、计算域与网格划分：

关于二维平面内涡激运动和圆柱绕流的数值模拟计算域网格划分如图2所示，计算域采用笛卡尔坐标系，来流方向平行于X轴，Y轴方向为横流向，计算中采用改进的湍流模型，本实施例对标准k-ε模型做如下处理：

ⅰ、考虑流动中的旋转及旋流流动的影响，对湍流黏度进行修正，具体如下：

标准k-ε模型中的输运方程为：

其中，G_k为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Y_M为可压缩湍流中的脉动扩张项；G_b为由浮力引起的湍动能k的产生项；C_1ε,C_2ε,C_3ε为经验常数；σ_k,σ_ε分别为与湍动能k对应的Prandtl数；S_k,S_ε为用户定义的源项；μ代表动力黏度，μ_t代表湍流黏度；ρ代表流体密度；C_μ代表经验常数；k代表湍动能；ε代表耗散率；

改进的k-ε模型中的输运方程为：

其中：μ_eff＝μ+μ_t，

通过对湍流黏度进行修正，考虑了流动中的旋转及旋流流动的影响。

ⅱ、在ε方程中增加约束条件，

以反映主流时均应变率；其中，u_i为时均速度；表明该模型中产生项不仅与流动情况有关，而且还是空间坐标的函数，从而可以更好地处理高速应变率及流线弯管程度较大的流动。

上下边界距圆柱中心的距离均为15D，左边速度入口距圆柱中心的距离为15D，右边界距圆柱中心的距离为35D，所以整个计算域大小为50D×30D，D为模型直径。计算区域的左端为速度入口边界条件，右端为出流边界条件(左右等位置方向以图2所示为准)，在该边界各物理分量的法向梯度设置成0，其它边界采用固壁边界，浮式风机基础表面采用流固耦合边界条件。

(2)、网格可靠性测试：

在做SPAR型浮式风机涡激运动的数值模拟前，为验证网格模型的计算可靠度，需要先对网格模型做数值模拟测试。本实施例选取Re＝20000的均匀来流对该模型进行分析计算，参考图3。其中，C_d,C_l分别代表结构阻力系数和升力系数，以便进行下一步浮式风机涡激运动数值模拟。

(3)、涡激运动特性分析：

如图4所示，为频率比f/f_n随折合速度变化的关系图，f为风机横向涡激运动频率，f_n为风机横荡运动固有频率，U_r为折合速度。由图4可知，SPAR型浮式风机的涡脱频率整体表现为上升趋势，在约为5-8的折合速度范围内，风机的横荡固有频率与脱涡频率比约为1，也就是说，在此折合速度范围内，风机结构的横向涡激运动的涡脱频率和来流速度的大小几乎无关，保持在横荡固有频域的临近，称折合速度5-8的范围为锁定区间，所发生的现象为锁定现象。

图5中的Y为圆柱圆心处的横流向振动幅值，D为数值模型直径，从整体来看，风机横向运动最大振幅呈现先上升，后下降的趋势，当Ur＝5时，横荡振幅值达到最大，达到0.49D，说明涡激效应可引起浮式风机一定的横荡运动，所以在计算风机系缆张力和评估系缆疲劳时需要考虑涡激运动的影响。

另外，从图6中可以了解到，在折合速度等于4时，浮式风机的涡激运动没进入锁定区，图6中的(a)中横荡振幅是0.44D，其中X为顺流向振动幅值，其升力系数曲线和横荡响应曲线相位角基本相等。当折合速度增大到5时，浮式风机开始进入锁定区，横荡响应曲线和升力曲线、纵荡响应曲线和阻力曲线都出现比较明显的反向，即阻力(升力)曲线的波峰对应着纵荡(横荡)响应曲线的波谷，而阻力(升力)曲线的波谷与纵荡(横荡)响应曲线的波峰相对应，两者相位角差是180°。折合速度达到14时，纵荡响应幅值基本为零，横荡响应振幅减小到0.21D。

由图7中的(c)、(d)可知，Ur＝5时压力在风机迎流面前缘处最大，然后逐渐减小，与来流方向垂直的表面处压力最小，与(a)、(b)流速分布图相吻合。通过以上分析，为研究SPAR型浮式风机系泊系统的疲劳损伤奠定基础。

二、基于FAST软件，在作业海况和生存海况条件下，分析SPAR型浮式风机在风载荷、浪载荷及流载荷联合作用下的运动响应时程及系缆受力情况：

FAST软件考虑风浪流载荷耦合情况，对风机做集叶片-控制系统-塔架-基础-锚泊为一体的全时域动力分析，对SPAR型浮式风机做时域运动响应分析时，先使用Turbsim模块，根据Kaimal风谱模拟生成风场，输入到空气动力学模块AeroDyn中；然后在水动力模块HydroDyn输入浪和流的条件，在系缆条件模块MAP++中输入系泊系统参数，此时FAST软件根据输入的环境要素开始进行时域运动分析。

具体操作如下：

1、载荷组合工况：

以我国南海某海域风浪流的长期分布作为环境条件，把SPAR型浮式风机所处环境分为作业海况和生存海况，不同工况下的环境参数如表2所示，选取的作业海况为：风、浪是10年一遇，流的折合速度Ur＝5，对应的流速是0.642m/s。选取的生存海况为：风、浪是50年一遇，流速是0.642m/s。将风浪流载荷在0°方向施加在风机结构上。

表2各重现期对应的波浪参数

表3作业海况和生存海况的环境参数

本实施例采用JONSWAP谱作为入射波的波浪谱；

其公式为：

其中，γ是谱峰升高因子，γ＝1.5-6，本实施例优选γ＝3.3；ω_max是谱峰频率；σ是峰形因子，可根据σ＝0.09,ω＞ω_max；σ＝0.07,ω≤ω_max进行计算。

2、时域运动响应分析：

本实施例在水深300米，不同风浪流的环境条件下，分析SPAR型浮式风机的动力响应变化，在FAST软件的HydroDyn模块中输入作业海况和生存海况条件下波浪的入射方向、有义波高、平均跨零周期及流速，在AeroDyn模块输入风速参数，然后考虑浮式风机受到的风载荷、浪载荷及流载荷的联合作用，使用FAST软件评估作业海况和生存海况条件下风机的运动响应和系缆张力情况，判断此系泊条件下的浮式风机运动性能和系缆强度是否满足规范要求。

在分析SPAR型浮式风机运动响应的过程中，本方案利用FASTLink技术开发了FAST软件与其他应用软件的接口问题，解决了以往在进行动力计算时，不同软件之间都是独立进行计算分析，在考虑结构动力响应输出的同时无法表达结构的姿态这一技术瓶颈问题，实现了结构的动力和运动响应的实时输出，使得计算结果更真实反映结构的动力特性。其工作原理及流程如下：

FASTLink结合FAST和OrcaFlex二者的优势，实现浮式风机高精确度模拟的耦合模块，在FAST中模拟得到风机的空气动力载荷、控制系统、塔架以及六个自由度平台刚体运动，OrcaFlex能够模拟作用在系泊上的拖曳力、附加质量力、附加阻尼以及系泊与海床的接触等问题。

在FASTLink耦合模块中，FAST将SPAR型浮式风机的位置和速度向量作为输入文件传入FASTLink中，再将输出文件传递到OrcaFlex中，在OrcaFlex中计算得到的水动力和系泊牵引力再通过FASTLink反馈到FAST中，其原理图如图9所示。

本实施例使用LC1代表作业海况，LC8代表生存海况，结构模型采用三根锚链间隔120°的方式布置在风机的周围，如图8所示，浮式风机各自由度运动响应情况和系缆张力变化情况如表4和表5所示：

表4SPAR型浮式风机动力响应

表5SPAR型浮式风机系缆张力

由表4、表5可知，尽管作业海况时，风载荷轴向推力会达到极值，但是考虑风浪流耦合时，生存海况时的SPAR型浮式风机动力响应仍会大于作业海况时的动力响应。生存海况时候各个自由度的运动响应分别是纵荡运动幅值是10.05m，横荡运动幅值是4.38m，垂荡运动幅值是2.93m，横摇运动幅值是3.51°，纵摇运动幅值是5.66°，艏摇运动幅值是14.33°。本实施例中计算水深是300米，浮式风机运动幅值相对于水深较小，表现出良好的运动性能，满足规范对浮式结构运动的要求。SPAR型浮式风机特殊的深吃水小水线面积仅保证了垂荡运动较小，而纵荡和艏摇运动幅值较大，这对风机的正常运行不利。从系缆的安全系数来看，其安全系数最小为3.26，满足规范安全系数大于1.67的要求，可以进行下一步系缆疲劳分析研究。

三、对涡激效应下SPAR型浮式风机的疲劳损伤进行分析：

1、分析疲劳寿命的计算步骤：

(1)确定疲劳载荷：

本实施例选取一年的时间，分析风浪载荷作用下系缆的疲劳寿命时，环境条件采用表6所示的波浪散布表，分析流载荷作用下系缆的疲劳寿命时，流速采用0.642m/s。

在研究浮式风机的疲劳损伤过程中，通常认为长期海况序列由各个短期海况序列组成，使用风浪特征参数和对应海况一年里发生的频率来描述每个海况，因此某处海域风浪的长期分布情况由不同的Hs(有义波高)、Tz(平均波浪跨零周期)、风速和此海况发生的频率来近似描述，这就是波浪散布图，本文采用的波浪散布图为浮式风机所处某南海海域风浪的长期分布情况，如表6表示。

表6波浪散布分布表

(2)研究浮式风机系缆张力时程：只考虑风浪载荷作用时，根据表6的环境参数，使用FAST软件分析不同风浪条件对应的系缆张力时程。只考虑流载荷作用，将ADINA软件中得到的拖曳力和横向力时程导入AQWA软件，获得流速为0.642m/s对应的系缆张力时程；

(3)选择合理的S-N曲线，比如美国石油学会API推荐的S-N曲线；

(4)进行累积损伤分析：使用MATLAB软件编程，计算各应力所对应的环境条件在整个使用期内所出现的次数n_i，从S-N曲线中获得此应力作用下达到破坏所循环的次数N_i，然后计算每一环境条件所引起的n_i/N_i值，最后可以通过Miner线性累积损伤理论求出导缆孔处系缆在一年中的

值。

(5)分析疲劳损伤，导缆孔处系缆的疲劳寿命由式

计算得出。

2、风浪载荷作用下系缆的疲劳寿命分析：

本节通过使用FAST软件计算风浪载荷引起的系缆张力。由于在空间中，SPAR型浮式海上风机基础结构具有对称性，将风浪载荷在0°方向施加在风机结构上，根据表6中的环境参数，分析不同环境参数条件下风浪载荷引起的系缆张力变化，将各风浪特征参数、对应的频率以及分析得到的系缆张力导入到编写的MATLAB程序中，对系泊系缆的年疲劳损伤率D_k和疲劳寿命进行评估。表7风浪载荷单独作用下系泊系缆疲劳分析结果

系缆编号	D<sub>k</sub>	T(年)
			1	3.52E-04	2.84E+03
2	5.77E-04	1.73E+03
			3	5.77E-04	1.73E+03

由图7知，当风浪载荷施加方向为0°时，1号系缆疲劳损伤度最小，达到3.52E-04，3号系缆的疲劳损伤度最大，为5.77E-04。

3、考虑涡激效应流载荷作用下系缆的疲劳寿命分析：

使用ADINA软件，流入射方向为0°，得到折合速度Ur＝5时浮式风机受到的拖曳力和横向力，将此拖曳力和横向力导入到ANSYS软件中的AQWA模块，计算此涡激载荷单独作用下导缆孔位置的张力时程。在编写的MATLAB程序中导入此折合速度、对应的频率以及系缆张力时程，分析计算疲劳寿命的结果如表8所示。

表8涡激载荷引起的系缆张力变化疲劳分析结果

系缆编号	Dk	T(年)
			1	1.45E-05	6.90E+04
2	3.93E-05	2.54E+04
			3	3.93E-05	2.54E+04

由图8可知，当流入射方向是0°时，1号、2号和3号系缆的疲劳损伤度明显小于基础结构系缆受到风浪载荷独自作用时的疲劳损伤度。

4、载荷单独作用线性叠加后系缆的疲劳寿命分析：

当风浪载荷和涡激载荷同时作用时，在确定风浪载荷造成疲劳损伤度与涡激载荷造成的疲劳损伤度后。将二者产生的疲劳损伤根据Miner线性累积损伤理论进行线性叠加，进而可以得到在设计寿命内系缆总的疲劳损伤，如表9所示。

表9风浪载荷和涡激载荷引起的损伤叠加后系缆疲劳分析结果

系缆编号	D<sub>k</sub>	T(年)
			1	3.67E-04	2.73E+03
2	6.16E-04	1.62E+03
			3	6.16E-04	1.62E+03

对比风浪载荷作用下的疲劳分析结果和涡激载荷作用下疲劳分析结果，分析各系缆疲劳损伤效应的组成，涡激运动作用下的3根系缆疲劳损伤度占总损伤度分别为3.95％，6.38％，6.38％。分析可知，风浪载荷所产生的系缆疲劳损伤效应较大于涡激载荷所产生的疲劳损伤效应。风浪载荷作用下系缆张力幅值变化比涡激载荷作用下系缆张力幅值变化明显，因此风浪载荷所产生的疲劳损伤大。风浪载荷产生的疲劳效应可达到96.05％。由此可见，上述SPAR型浮式风机的系缆疲劳寿命主要由风浪载荷控制，涡激载荷对系缆疲劳效应最高可达6.38％，在设计SPAR型浮式风机时可作为重要参考指标。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、分析SPAR型浮式风机的涡激运动现象，获得SPAR型浮式风机的整体受力特性、运动轨迹和响应频率，具体包括以下步骤：

A1、基于ADINA软件，根据实际SPAR型浮式风机结构，建立其二维数值仿真模型；

A2、建立结构弹性系泊涡激运动的力学方程；

在保证横荡固有周期和纵荡固有周期相同的前提上，将原系泊系统等效为线性弹簧-阻尼系统，建立其双自由度对应的动力学方程：

其中，m代表结构单位长度的质量；C_x代表结构纵荡的阻尼系数；C_y代表结构横荡的阻尼系数；K_x，K_y代表系泊系统纵荡和横荡的刚度；F_d(t)代表流向阻力，随时间变化；F_l(t)代表横向升力，随时间变化；

A3、基于ADINA软件进行流固耦合分析；

B、基于FAST软件，在作业海况和生存海况条件下，分析SPAR型浮式风机在风载荷、浪载荷及流载荷联合作用下的运动响应时程及系缆受力情况；

C、对涡激效应下SPAR型浮式风机的疲劳损伤进行分析，具体包括以下步骤：

C1、根据Miner线性疲劳损伤叠加理论、S-N曲线和雨流计数法编写MATLAB程序，分别进行风机涡激载荷和风浪载荷单独作用下的疲劳损伤分析；

C2、在确定风浪载荷造成疲劳损伤度与涡激荷载造成的疲劳损伤度后，将二者产生的疲劳损伤根据Miner线性累积损伤理论进行线性叠加，进而得到系缆在其设计寿命内总的疲劳损伤。

2.根据权利要求1所述的考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，其特征在于：步骤A1中，所述数值仿真模型根据SPAR型浮式风机基础的主尺度参数进行设计，建立缩尺比结构模型，所述主尺度参数包括SPAR型浮式风机基础的直径、横荡固有周期、纵荡固有周期、SPAR型浮式风机基础的密度、X轴系泊刚度和Y轴系泊刚度。

3.根据权利要求1所述的考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，其特征在于，所述步骤A3具体包括：

(1)计算域确定与网格划分：

计算域采用笛卡尔坐标系，建立水动力计算边界，并对标准k-ε模型进行改进设计，以作为湍流模型；

(2)验证网格精度和计算效率，网格可靠性测试合格后，分析SPAR型浮式风机涡激运动现象；

(3)输出结构的涡激参数，包括升阻力系数时程，结构振动特性曲线，结构压力云图和速度云图。

4.根据权利要求3所述的考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，其特征在于：所述步骤A3中，对选用的湍流模型做如下改进处理：

(1)考虑流动中的旋转及旋流流动的影响，对湍流黏度进行修正，修正公示如下：

μ_eff＝μ+μ_t，

其中，μ为动力黏度，μ_t为湍流黏度；ρ为流体密度；C_μ为经验常数；k为湍动能；ε为耗散率；

(2)在ε方程中增加约束条件

以反映主流时均应变率，其中，μ_i为时均速度；表明该模型中产生项不仅与流动情况有关，而且还是空间坐标的函数，从而可以更好地处理高速应变率及流线弯管程度较大的流动。

5.根据权利要求1所述的考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，其特征在于：所述步骤B中，对SPAR型浮式风机进行时域响应分析时，主要包括以下步骤：

(1)利用Turbsim模块，根据Kaimal风谱模拟生成风场文件，并输入到空气动力学模块AeroDyn中，以获得塔架和基础结构应力特性和运动轨迹；

(2)在水动力模块HydroDyn中输入浪和流的条件，在系缆条件模块MAP++中输入系泊系统参数，以获得结构运动响应时程及系缆受力情况；

(3)根据输入的环境要素进行时域运动分析，为系缆的疲劳强度评估提供依据。

6.根据权利要求5所述的考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，其特征在于：所述步骤B中，在对浮式风机进行动力响应分析过程中，还包括利用FASTLink技术对FAST软件和OrcaFlex软件进行接口设计的步骤，在FASTLink耦合模块中，FAST软件将结构的位置和速度向量作为输入文件传入FASTLink中，再将输出文件传递到OrcaFlex中，在OrcaFlex软件中分析得到的水动力和系泊牵引力后通过FASTLink反馈至FAST软件。

7.根据权利要求1所述的考虑涡激效应的深海SPAR型浮式风机疲劳损伤分析方法，其特征在于：所述步骤C1包括以下步骤：

(1)通过FAST软件分析风浪载荷引起的系缆张力；

将风浪载荷在0°方向施加在风机结构上，分析不同环境参数条件下风浪载荷引起的系缆张力变化，所述0°方向为建模时坐标系X轴的正方向；

(2)将各风浪参数、对应的频率以及分析得到的系缆张力导入MATLAB程序中，对系缆的年疲劳损伤率和疲劳寿命进行评估；

(3)通过ADINA软件，流入射方向为0°，分析在锁定区间折合速度下的浮式风机受到的拖曳力和横向力，并将此拖曳力和横向力导入到ANSYS软件中的AQWA模块，分析涡激载荷单独作用下系缆张力时程；

(4)将此折合速度、对应的频率以及系缆张力时程的导入MATLAB程序中，分析疲劳损伤度。

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