CN114580152A - 一种基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海上浮式风电结构的浮体基础局部应力时域耦合分析方法，适用于深远海浮式风力发电领域。针对浮式风电结构的浮体基础局部应力耦合时域计算问题，本发明通过建立多体分析模型获取浮式风电结构的耦合运动状态，再通过波面时程与运动状态重演，结合时域势流求解实现浮体基础波浪分布荷载计算，通过荷载映射与控制方程求解得到浮体基础的局部时域应力；随后，通过对时域应力进行概率统计分析与傅里叶分析，结合随机信号重构与衍生方法，实现局部应力批量随机繁衍，进而通过极值分析方法与疲劳损伤分析理论完成结构的局部极限强度校核与局部疲劳强度校核。
Description
技术领域
本发明属于海上风力发电技术领域，尤其是涉及一种海上浮式风电结构的浮体基础局部应力时域耦合分析方法。
背景技术
近年来，海上风电发展迅速，尤其是深海风电的开发更是成为未来海上风电发展的重要方向。海上风电的开发要拓展到深水海域，必然采用漂浮式风机技术。海上浮式风机系统通常包括风机、塔柱、浮式基础、系泊系统这四部分。相比于陆地风机或近海固定式风机，浮式风机在服役期间的动力响应更加复杂。浮式风机在工作状态下不仅有叶片、塔筒、浮式基础的柔性变形和机舱控制系统的驱动指令，还会有浮式基础6自由度刚体运动，以及锚链的动力响应。海上浮式风机在服役期间会遭受风、浪和海流的共同作用，这些环境荷载并不是独立地作用在海上浮式风机系统上，而是相互之间存在一定的耦合关系，如海上浮式风机在环境荷载作用下会产生刚体运动，而浮体的刚体运动又会影响浮式风机受到的空气荷载和水动力荷载。考虑空气动力、水动力、控制系统以及结构动力学之间的耦合作用，准确预报海上浮式基础的运动，尤其是浮式基础在不同环境荷载下的结构应力，一直是浮式风机领域研究的重点和难点。
随着中国第一台浮式风机“三峡引领号”的下水，国内浮式风机技术已逐渐从概念设计到详细设计过渡。对于浮式风机的设计不能仅仅关注其运动响应，浮体基础结构的应力响应对浮体基础的优化设计同样极为重要。浮式风机的浮体基础结构应力分析多借鉴海洋石油平台设计方法，但是，对于其局部应力的分析方法鲜有报道，这是因为纯时域的局部应力耦合分析存在以下几个难点：
①浮式风电结构是一种多子系统的联合工程装备，风机系统、浮体基础与系泊系统在遭受风、浪、流荷载时，荷载计算理论不同，横跨气、水动力，子系统动力响应间存在复杂的运动边界耦合与力传递。
②浮体基础的波浪荷载计算多采用频域势流理论，在基于多体动力学的计算中，浮体基础多被当作刚体质点，仅作为上部风机系统与下部系泊系统间的运动耦合与力传递介质。工业界目前采用的这一套多体动力响应计算方法本质上无法获取耦合了风机系统、系泊系统的浮体基础时域局部应力。
③目前浮体基础的局部强度校核是在频域势流解的基础上通过Cummins方程变换进行频域到时域的求解分析，这种做法并非时域耦合，这是因为Cummins方程无法讨论多子系统相互作用下的浮体基础真实运动，亦无法讨论多种非线性问题。
④不少研究采用计算流体力学的方法来进行浮体基础的全耦合应力分析，这种方法有效地考虑了粘性问题与子系统耦合，但不适用于实际工程，其庞大的计算量对于实际工程需要校核的上百个工况数量而言是一种不可能完成的任务。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法，包括如下步骤：
S1、建立浮式风电结构的浮体基础面元模型；
S2、计算浮体基础水动力系数；
基于浮体基础的质量分布、分舱布置和压舱水布置等，采用频域势流求解方法，计算浮式基础的静水回复力系数、频率相关的附加质量系数、频率相关的附加阻尼系数、频率相关的一阶波浪力RAOs、频率相关的二阶波浪力传递函数QTF；
S3、建立浮式风电结构多体耦合运动分析模型；
建立风机塔筒模型、风机机舱模型、风机叶片模型、浮式基础桁架的莫里森杆件模型以及系泊缆模型，并导入步骤S1所建立的浮式基础模型及步骤S2中的水动力系数和质量属性；
S4、进行浮式风电结构的多体耦合运动响应时域计算；
S5、在完成整体结构的运动响应时域分析后，导出时域计算工况的波面时程、风机塔筒与浮体基础的交界面荷载时程、导缆孔处的系泊荷载时程、浮体基础的6自由度运动时程(包括位移、速度和加速度)；
S6、基于步骤S5导出的波面时程和运动时程，通过三维Rankine源方法的格林函数时域直接求解方法，计算每个时间步浮体基础面元模型上的波浪荷载；
S7、建立包含肋板的浮体基础结构模型，将步骤S6计算的面元波浪荷载作为面荷载映射至结构模型的各面单元，将步骤S5得到的导缆孔处的系泊荷载时程作为点荷载映射至结构模型导缆孔位置的节点，将步骤S5得到的风机塔筒与浮体基础的交界面荷载时程作为面分布荷载映射至结构模型，将步骤S5得到的加速度时程作为惯性荷载映射至结构模型各面单元和杆单元，最后基于边界条件求解下述方程得到结构模型的局部应力时程；
σ＝E:ε
式中：ε为应变张量，u为位移矢量，E为弹性张量，σ为应力张量，f为力矢量；
S8、对步骤S7得到的局部应力时程进行概率统计分析得到其前4阶中心统计矩；
S9、对步骤S7得到的局部应力时程进行傅里叶分析得到功率谱函数；
S10、基于如下方程建立三阶Hermite变换通用模型并求解其模型变换系数：
变换模型：
模型系数：
式中：X为局部应力时间历程；Xs为标准化的局部应力时间历程；μx为局部应力时间历程的均值；σx为局部应力时间历程的标准差；k，
h0是待求模型系数。
此通用模型区别于传统Hermite变换模型，可同时应用于峰度大于3的超高斯随机过程与峰度小于3的亚高斯随机过程。
S11、基于Rice理论、步骤S10的模型变换系数和步骤9的应力功率谱求解底层高斯应力功率谱；
S12、利用SRM(Spectral representation method)方法数值繁衍出大量底层高斯应力；
S13、基于步骤S10的模型变换系数建立三阶Hermite变换通用模型，对步骤S12得到的底层高斯应力进行非线性映射，得到浮体结构的局部结构数值衍生应力；
S14、提取步骤S13得到的衍生应力时程中的最大值作为极值应力来判断其是否超过了结构材料的容许值，进而实现结构的局部极限强度校核；
S15、对步骤S13得到的衍生应力时程进行雨流计数，结合S-N曲线，得到结构的疲劳累积损伤，实现结构的局部疲劳强度校核。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S4具体包括如下步骤：
S401、在每一个时间步，基于BEM方法求解风机叶片处所遭受的气动荷载，基于步骤2求解的水动力系数计算浮体基础的波浪一阶势流力与波浪二阶势流力(入射势流力、绕射势流力以及辐射势流力)，基于莫里森方程求解浮体基础桁架与系泊缆所遭受的波流荷载(包含拖曳力与惯性力)，计算作用在塔筒上的风荷载。其中，风机气动荷载和塔筒风荷载的求解与莫里森杆件上的莫里森波流荷载求解都需要浮体基础结构的运动状态信息(位移、速度、加速度)，因此，在每个时间步的首次求解时均需要使用上一个时间步的浮体基础运动状态信息。对于计算初始的第一个时间步(无上一个时间步作为参考)，浮式基础运动状态初始信息(位移、速度、加速度)可以设置为0。
S402、基于多体动力学分析，在每一个时间步，风机气动荷载和塔筒风荷载将通过塔筒与浮体基础的交界面传递给浮式基础，系泊系统的系泊荷载将通过导缆孔传递给浮体基础，进而由如下方程求解出浮体基础的运动。
式中：x(t)、
和
分别表示浮体基础6个自由度的位移、速度和加速度；M是6×6质量矩阵；A∞是无穷频率处6×6附加质量矩阵；C为6×6静水回复力矩阵；Fwind(t)为风机和塔筒受到的风荷载；Fwave(t)、Fcurr(t)、Fmoor(t)分别为作用在浮体6个自由度上的波浪荷载、流荷载和锚链系泊力；K(t)为6×6时延函数矩阵；时延函数反应了浮体辐射阻尼的记忆效应，可通过浮体附加阻尼矩阵求得：
式中：Bij为附加阻尼矩阵的元素；
S403、基于多体动力学分析，在每一个时间步，将求解得到的浮式基础运动结果作为风机塔筒底端的运动边界条件和系泊缆在导缆孔处的运动边界条件，重复计算步骤S401和步骤S402，直到新求解出的浮体基础运动结果收敛。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S14中，极值分析可以是常规的最大值查找法，亦可是其他常规的极值分析方法，如ACER，POT方法等。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤15中，疲劳分析所用应力循环计数方法可以是雨流计数，亦可以是其他方法，如水平穿越计数(LC，Level-crossing counting)法和范围均值计数(RM，Range-mean counting)法等。
本发明提供一种海上浮式风电结构的浮体基础局部应力时域耦合分析方法，适用于深远海浮式风力发电领域。针对浮式风电结构的浮体基础局部应力耦合时域计算问题，本发明通过建立多体分析模型获取浮式风电结构的耦合运动状态，再通过波面时程与运动状态重演，结合时域势流求解实现浮体基础波浪分布荷载计算，通过荷载映射与控制方程求解得到浮体基础的局部时域应力；随后，通过对时域应力进行概率统计分析与傅里叶分析，结合随机信号重构与衍生方法，实现局部应力批量随机繁衍，进而通过极值分析方法与疲劳损伤分析理论完成结构的局部极限强度校核与局部疲劳强度校核。本发明提出一种基于多体耦合分析的浮式基础结构局部应力时域分析方法，应用于浮式风电开发领域，使其实现风、浪、流的荷载同步模拟，实现结构各子系统动力响应同步分析，实现浮式基础结构局部应力的时域耦合计算、结构局部极限强度时域耦合分析和结构疲劳强度时域耦合分析并实现局部应力的高效可靠数值衍生，可以应用到浮式风机基础强度校核、疲劳寿命预测以及结构优化等工程问题中。
具体地，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)、本发明先通过频域分析方法计算浮体基础的水动力特性系数，进而可以基于多体动力学分析方法构建整体运动模型求解出较为准确的结构整体耦合运动响应。
2)、本发明在求解结构多体耦合运动响应时，在每一个时间步内，各子系统间的运动耦合与力传递都会通过多步迭代来确保收敛，进而确保各子系统的荷载、运动求解满足在时间尺度与空间状态的一致性。
3)、本发明通过耦合求解出结构运动状态后，会以此运动状态信息和相应的工况信息作为新的求解控制边界进行浮体基础的波浪荷载时域求解。通过这种方式，本发明提出的方法能够实现在考虑了各子系统运动耦合与力传递下的浮体基础的波浪荷载时域求解。
4)、本发明通过实现浮体基础的局部波浪荷载时域求解，进一步地可以实现浮体基础在波浪荷载、系泊荷载、风机荷载、塔柱风荷载下的局部应力耦合时域分析。
5)、本发明在得到浮体基础的局部应力时程后，通过概率统计分析、傅里叶分析、随机信号重构与衍生技术可以得到大量与数值模拟同源、同性的随机应力数据，进而可以实现结构的局部极限强度分析与结构的局部疲劳强度分析。本发明提出的方法避免了常规时域分析需要模拟极长时间的计算资源消耗问题，大大提高了设计效率。
附图说明
图1为本发明所提供的基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法的流程图。
图2为某浮式风机基础关键节点应力云图(单位：Pa)。
图3为某浮式风机基础关键节点热点应力时程(单位：MPa)。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
本发明所提供的基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法，主要包括：浮体基础频域水动力系数求解、浮式风机多体耦合时域运动分析、浮体基础动水压力时域时域求解、浮体基础结构局部应力时域耦合求解、浮体基础结构强度及繁衍计算。
现通过具体实施方式对本发明进行阐述：
S1、通过三维建模软件建立浮体基础的水动力面元模型。此步可使用ANSYS，GeniE，Multisurf等常规软件或自编程序。
S2、将水动力面元模型导入至水动力分析软件进行浮体基础的频域势流求解，计算浮体基础的静水回复力系数、频率相关的附加质量系数、频率相关的附加阻尼系数、频率相关的一阶波浪力RAOs、频率相关的二阶波浪力传递函数QTF。在此处计算时，需要设置结构的质量分布信息与压舱水自由液面信息。针对于浮式风电结构，在水深80m以下的情形，推荐使用全矩阵QTF求解而并非使用Newman近似。此步可使用Wamit、Wadam、Aqwa等常规势流频域分析软件或自编程序。
S3、建立浮式风电结构多体耦合运动分析模型；
建立风机机舱模型、风机叶片模型，包含机舱质量分布、风机叶片翼形参数、叶片升阻力系数。此步可使用Aerodyn，Bladed，Sima等气动力分析软件或自编程序。
建立风机塔筒模型，包含塔筒的长度、直径、壁厚以及材料常数。此步可使用Bladed，Orcaflex，Sima等具备柔性杆件风荷载分析的软件或自编程序。
建立系泊模型，包含系泊缆材料参数、系泊缆长度、系泊半径、导缆孔布置、锚体选型、辅助浮筒布置、辅助配重布置、系泊缆水动力系数设置、系泊缆海生物附着修正。此步可使用Orcaflex，Riflex等具备柔性单元水动力分析的软件或自编程序。
S4、整合步骤S1至步骤S3中建立的风机模型、塔筒模型、浮体基础模型、系泊模型，设置环境条件参数，包括风、浪、流、水深、海床土参数等。建立风机模型、塔筒模型、浮体基础模型、系泊模型荷载计算的数据传递接口，基于多体动力学开展浮式风电结构多体耦合动力响应计算。此步可使用FAST、Sima等软件或自编程序。
S5、导出步骤S4计算得到的浮体基础运动时程、导缆孔荷载时程、塔筒与浮体基础交界面荷载时程、环境波面时程；
S6、重演浮体基础运动时程与环境波面时程，对势流方程进行直接时域求解，得到与风机系统、系泊系统全耦合的浮体基础波浪荷载，此处的波浪荷载是分布荷载，包含浮体基础上每一个面域单元的荷载时程。此步可使用Wasim或自编程序实现。
S7、建立浮体基础结构分析模型，建立塔筒与浮体基础交界面处的过渡段、浮体基础肋板与加强筋，设定浮体基础结构的各处板厚和材料系数。此步，可使用GeniE或自编程序实现。
将步骤S6得到的波浪分布荷载、步骤S5导出的导缆孔荷载时程和塔筒与浮体基础交界面荷载时程、步骤S5导出的浮体基础加速度时程映射至步骤S7建立的结构分析模型，进行结构局部应力时域求解，得到时域应力时程，如图2、图3所示。此步可使用Sestra或自编程序实现。
S8、对步骤S7得到的局部时域应力进行概率统计分析，计算前4阶中心矩。
S9、对步骤S7得到的局部时域应力进行傅里叶分析，得到应力的功率谱函数，计算自相关函数。
S10、由步骤S8得到的中心矩求解三阶Hermite通用变换模型系数。
S11、基于步骤S10建立的三阶Hermite通用变换模型求解底层高斯应力，由步骤S9得到的局部应力自相关函数求解底层高斯应力自相关函数，再由傅里叶变换至功率谱函数。
S12、基于步骤S11得到的底层高斯应力功率谱函数，经由SRM方法生成大量衍生高斯应力。
S13、通过S10得到的三阶Hermite通用变换模型对步骤S12得到的衍生高斯应力进行映射，得到衍生局部时域应力。
S14、对衍生局部时域应力进行极值分析，完成极限强度校核。
S15、对衍生局部时域应力进行雨流计数，结合材料S-N曲线，完成疲劳强度校核。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法，其特征在于：所述基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法包括如下步骤：
S1、建立浮式风电结构的浮体基础面元模型；
S2、计算浮体基础水动力系数；
基于浮体基础的质量分布、分舱布置和压舱水布置等，采用频域势流求解方法，计算浮式基础的静水回复力系数、频率相关的附加质量系数、频率相关的附加阻尼系数、频率相关的一阶波浪力RAOs、频率相关的二阶波浪力传递函数QTF；
S3、建立浮式风电结构多体耦合运动分析模型；
建立风机塔筒模型、风机机舱模型、风机叶片模型、浮式基础桁架的莫里森杆件模型以及系泊缆模型，并导入步骤S1所建立的浮式基础模型及步骤S2中的水动力系数和质量属性；
S4、进行浮式风电结构的多体耦合运动响应时域计算；
S5、在完成整体结构的运动响应时域分析后，导出时域计算工况的波面时程、风机塔筒与浮体基础的交界面荷载时程、导缆孔处的系泊荷载时程、浮体基础的6自由度运动时程；
S6、基于步骤S5导出的波面时程和运动时程，通过三维Rankine源方法的格林函数时域直接求解方法，计算每个时间步浮体基础面元模型上的波浪荷载；
S7、建立包含肋板的浮体基础结构模型，将步骤S6计算的面元波浪荷载作为面荷载映射至结构模型的各面单元，将步骤S5得到的导缆孔处的系泊荷载时程作为点荷载映射至结构模型导缆孔位置的节点，将步骤S5得到的风机塔筒与浮体基础的交界面荷载时程作为面分布荷载映射至结构模型，将步骤S5得到的加速度时程作为惯性荷载映射至结构模型各面单元和杆单元，最后基于边界条件求解下述方程得到结构模型的局部应力时程；
σ＝E:ε
式中：ε为应变张量，u为位移矢量，E为弹性张量，σ为应力张量，f为力矢量；
S8、对步骤S7得到的局部应力时程进行概率统计分析得到其前4阶中心统计矩；
S9、对步骤S7得到的局部应力时程进行傅里叶分析得到功率谱函数；
S10、基于如下方程建立三阶Hermite变换通用模型并求解其模型变换系数：
变换模型：
模型系数：
式中：X为局部应力时间历程；Xs为标准化的局部应力时间历程；μX为局部应力时间历程的均值；σX为局部应力时间历程的标准差；k，
h0是待求模型系数；
S11、基于Rice理论、步骤S10的模型变换系数和步骤9的应力功率谱求解底层高斯应力功率谱；
S12、利用SRM方法数值繁衍出大量底层高斯应力；
S13、基于步骤S10的模型变换系数建立三阶Hermite变换通用模型，对步骤S12得到的底层高斯应力进行非线性映射，得到浮体结构的局部结构数值衍生应力；
S14、提取步骤S13得到的衍生应力时程中的最大值作为极值应力来判断其是否超过了结构材料的容许值，进而实现结构的局部极限强度校核；
S15、对步骤S13得到的衍生应力时程进行雨流计数，结合S-N曲线，得到结构的疲劳累积损伤，实现结构的局部疲劳强度校核。
2.根据权利要求1所述的基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括如下步骤：
S401、在每一个时间步，基于BEM方法求解风机叶片处所遭受的气动荷载，基于步骤2求解的水动力系数计算浮体基础的波浪一阶势流力与波浪二阶势流力，基于莫里森方程求解浮体基础桁架与系泊缆所遭受的波流荷载，计算作用在塔筒上的风荷载；其中，风机气动荷载和塔筒风荷载的求解与莫里森杆件上的莫里森波流荷载求解都需要浮体基础结构的运动状态信息，因此，在每个时间步的首次求解时均需要使用上一个时间步的浮体基础运动状态信息；对于计算初始的第一个时间步，浮式基础运动状态初始信息设置为0；
S402、基于多体动力学分析，在每一个时间步，风机气动荷载和塔筒风荷载将通过塔筒与浮体基础的交界面传递给浮式基础，系泊系统的系泊荷载将通过导缆孔传递给浮体基础，进而由如下方程求解出浮体基础的运动；
式中：x(t)、
和
分别表示浮体基础6个自由度的位移、速度和加速度；M是6×6质量矩阵；A∞是无穷频率处6×6附加质量矩阵；C为6×6静水回复力矩阵；Fwind(t)为风机和塔筒受到的风荷载；Fwave(t)、Fcurr(t)、Fmoor(t)分别为作用在浮体6个自由度上的波浪荷载、流荷载和锚链系泊力；K(t)为6×6时延函数矩阵；时延函数反应了浮体辐射阻尼的记忆效应，可通过浮体附加阻尼矩阵求得：
式中：Bij为附加阻尼矩阵的元素；
S403、基于多体动力学分析，在每一个时间步，将求解得到的浮式基础运动结果作为风机塔筒底端的运动边界条件和系泊缆在导缆孔处的运动边界条件，重复计算步骤S401和步骤S402，直到新求解出的浮体基础运动结果收敛。
3.根据权利要求1所述的基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法，其特征在于：所述步骤S14中，极值分析可以是常规的最大值查找法，亦可是其他常规的极值分析方法。
4.根据权利要求1所述的基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法，其特征在于：所述步骤15中，疲劳分析所用应力循环计数方法可以是雨流计数，亦可以是其他方法。
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2022
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