CN115525993A - 一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，包括以下步骤：步骤一，选取三种风机基础易失效或破坏的特征工况和对应的波形；步骤二，确定三种特征工况下的波长、波浪周期和波高；步骤三，确定风机基础的四根立柱上所受到的重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；步骤四，建立风机基础的梁系结构模型；步骤五，对梁系结构模型开展有限元离散，形成一维网格的有限元模型；步骤六，在每根位于下部的撑杆上的每个网格节点上各施加一个垂直向弹簧约束和一个横向弹簧约束；步骤七，在有限元模型中施加重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；步骤八，静力学分析确定撑杆结构强度。本发明能显著提高计算效率。

Description

一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法

技术领域

本发明涉及一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法。

背景技术

漂浮式风电与固定式风电是对应的，其定义和区分取决于风机的基础结构是固定式结构还是浮式结构。从海洋石油的经验来看，由于水深增加导致的固定式基础在海床处的荷载增大等原因，固定式基础的投资成本一般随着水深的增加呈指数增长。当水深超过一定深度之后，固定式风机的投资收益就会变得较差。根据海上石油的相关经验，会出现一个临界水深，当超过这个水深之后，漂浮式风电的投资收益会高于固定式风电的投资收益。漂浮式风电研究的意义就是为了降低漂浮式风电的投资成本，以实现对深远海域海上风能的利用。

目前主流的三种漂浮式风机基础型式是半潜式、TLP式(张力腿式)和SPAR 式(单柱式)。其中，应用广泛、技术成熟的半潜式漂浮式风机基础是更加适合现阶段海上风电发展的基础形式。半潜式漂浮式风机基础一般拥有多个立柱及其连接结构，现阶段立柱多采用钢制圆筒，而连接结构多采用加筋板材、圆管和方管等结构，本发明的撑杆即为立柱间的连接结构。为保证基础的耐波性，往往立柱间距较大，撑杆受到的载荷较大，因此漂浮式风机基础对撑杆的强度有较高要求。

目前，海洋工程行业内针对海洋平台的结构强度的计算方法已经较为成熟，通常采用设计波法对海洋平台的总强度进行分析。该方法首先根据平台的主尺度设计波浪参数，通过势流理论计算平台所受的波浪载荷，将波浪载荷映射于有限元模型中开展总强度分析。此方法也可运用于三立柱半潜漂浮式风机基础撑杆的结构强度计算，但该方法需要运用势流理论计算波浪载荷并把载荷映射于有限元模型中，对模型的完整度要求较高，不适用于结构模糊的概念设计阶段，并且该方法较为复杂，步骤繁琐较为耗时。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，它能显著提高计算效率，从而能快速初步确定撑杆结构的尺寸。

本发明的目的是这样实现的：一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，包括以下步骤：

步骤一，特征工况选取，即选取三种风机基础易失效或破坏的特征工况和对应的波形；

步骤二，波浪参数确定，根据三种特征工况的波形确定三种特征工况下的波长，并根据波浪理论公式确定三种特征工况下的波浪周期和波高；

步骤三，载荷确定，即确定风机基础的四根立柱上所受到的重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；

步骤四，结构模型建立，即在ANSYS Design Modeler模块中建立风机基础的梁系结构模型；

步骤五，模型有限元离散，在ANSYS Static Structural模块中对梁系结构模型开展有限元离散，形成一维网格的有限元模型；

步骤六，弱弹簧边界条件施加，在ANSYS Static Structural模块中开展，即在每根位于下部的撑杆上的每个网格节点上各施加一个垂直向弹簧约束和一个横向弹簧约束；

步骤七，载荷施加，在有限元模型中施加重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；

步骤八，静力学分析确定撑杆结构强度，在ANSYS Static Structural模块中开展静力学分析，得到三种特征工况下撑杆的范式应力，再将撑杆材料的屈服强度与撑杆的范式应力进行对比，判断撑杆的结构强度是否足够。

上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤一时，选取的第一种特征工况为横向分离力最大工况，选取的第二种特征工况为扭矩最大工况，选取的第三种特征工况为分离力-扭矩组合工况。

上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤二时，包括：

A.波长确定，即根据三种特征工况时的波形一一对应地确定三种特征工况下的波长L与立柱的间距B之间的关系：

式(1)中，L₁为第一种特征工况下的波长；L₂为第二种特征工况下的波长；L₃为第三种特征工况下的波长；B为立柱的间距；

B.波浪周期确定，根据线性波浪理论得到波浪周期T公式：

式(2)中，L为波长；k为波数，

d为水深；

C.波高确定，根据海工行业内推荐的线性波波高公式(3)计算波高H：

式(3)中，T为波浪周期；H₁₀₀为百年一遇的波高。

上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤三时，包括：

A.重力载荷确定，按风机基础的实际重量确定总重力载荷，等分后施加于立柱上；

B.浮力载荷确定，根据立柱的实际吃水确定浮力；

C.波浪载荷确定；采用莫里森方程计算波浪载荷，如下：

式(4)中，F_N为波浪载荷；ρ为海水密度；C_A为附加质量系数，立柱为圆柱形时C_A＝1；C_D为拖曳系数，立柱为圆柱形时C_D＝1；A为立柱的横截面的面积；D为立柱的直径；a为水质点的水平运动加速度；v为水质点的水平运动速度；

根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动速度v：

根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动加速度a：

点的深度；x为波浪的传播方向；ω为波浪的圆频率；t为时间。

上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤七时，包括：

A.重力载荷施加，重力竖直向下，重力载荷以均布载荷的形式施加于立柱整体上；

B.浮力载荷施加，浮力竖直向上，浮力载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心；

C.波浪载荷施加，波浪载荷的方向由三种特征工况的波形决定，波浪载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心。

本发明的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法具有以下特点：

对模型的完整度要求不高，最大可能地优化和简化了计算步骤和模型，能显著提高计算效率，从而能快速初步确定撑杆结构的尺寸，非常适用于结构模糊的概念设计阶段的撑杆强度计算。

附图说明

图1为本发明涉及的四立柱漂浮式风机基础的结构示意图；

图2为本发明的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法的流程图；

图3a为本发明的步骤一选取的第一种特征工况下风机基础所受波浪力的示意图；

图3b为本发明的步骤一选取的第一种特征工况下的波形示意图；

图4a为本发明的步骤一选取的第二种特征工况下风机基础所受波浪力的示意图；

图4b为本发明的步骤一选取的第二种特征工况下的波形示意图；

图5a为本发明的步骤一选取的第三种特征工况下风机基础所受波浪力的示意图；

图5b为本发明的步骤一选取的第三种特征工况下的波形示意图；

图6为本发明的步骤四建立的风机基础的梁系结构模型的示意图；

图7为本发明的步骤五后得到的有限元模型的示意图；

图8为本发明的步骤六在有限元模型施加的边界条件的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，适用的四立柱漂浮式风机基础包括布置在一个正方形的四个角部的第一立柱11、第二立柱12、第三立柱13和第四立柱14以及四组一一对应地连接在第一立柱11与第二立柱12之间、第二立柱12与第三立柱13之间、第三立柱13与第四立柱14 以及第四立柱14与第一立柱11之间的撑杆2，每组撑杆2由一上一下设置的两根撑杆构成；四根立柱14的间距为100m，立柱的直径为15m、立柱的高度为30m，撑杆为钢制圆管且

撑杆材料的极限强度为355MPa，风机基础的总重量为10,093.93t，立柱的吃水为14m。

请参阅图2，本发明的半潜浮式风机基础撑杆的结构强度计算方法，包括以下步骤：

步骤一，特征工况选取，漂浮式风机基础在服役期间将遭受不同方向、不同波长的波浪，但基础失效或破坏往往发生在特征工况下，因此选取的四立柱漂浮式风机基础的特征工况有三种，选取的第一种特征工况为横向分离力最大工况，此时第一立柱11和第二立柱12均位于波峰和前一个波谷中间，第三立柱13和第四立柱14均位于波峰和后一个波谷的中间，使整个风机基础受到最大横向分离力；选取的第二种特征工况为扭矩最大工况，此时第二立柱12和第四立柱14均位于波峰位置，第一立柱11位于后一个波谷的位置，第三立柱13位于前一个波谷的位置，使整个风机基础受到最大扭矩力；选取的第三种特征工况为分离力-扭矩组合工况，此时第二立柱12和第四立柱14均位于波峰的位置，第一立柱11位于波峰和后一个波谷的中间位置，第三立柱13位于波峰和前一个波谷的中间位置，使整个风机基础受到最大的分离和扭矩的组合力；

步骤二，波浪参数确定，根据三种特征工况的波形确定三种特征工况下的波长，并根据波浪理论公式确定四种特征工况下的波浪周期和波高；

A.波长确定，根据四种特征工况时的波形一一对应地确定四种特征工况下的波长L与立柱的间距B之间的关系：

式(1)中，L₁为第一种特征工况下的波长；L₂为第二种特征工况下的波长；L₃为第三种特征工况下的波长；B为立柱的间距；

B.波浪周期确定，根据线性波浪理论得到波浪周期T公式(2)：

式(2)中，L为波长；k为波数，

d为水深，取50m；

C.波高确定，根据海工行业内推荐的线性波波高公式(3)计算波高H：

式(3)中，T为波浪周期；H₁₀₀为百年一遇的波高，取20m；

根据以上公式(1)、(2)、(3)，最终形成三种特征工况下的波浪参数，参见下表1：

表1

工况	波长L(m)	波周期T(s)	波高H(m)
				工况1	200	11.82	17.32
工况2	141.42	9.63	14.96
				工况3	282.84	15.02	18.11

步骤三，载荷确定，由于撑杆的尺度远小于立柱的尺度，撑杆所受浮力及波浪载荷都远小于立柱，因此本方法仅考虑作用于立柱上的载荷；立柱所受载荷分为重力载荷、浮力载荷和波浪载荷。

A.重力载荷确定，按风机基础的实际重量确定总重力载荷，等分后施加于四根立柱上；由于尺度原因，重力对撑杆结构强度的影响较小，为快速计算仅在立柱上施加；对于重力载荷来说所有的特征工况是一致的，无需根据工况调整；

B.浮力载荷确定，与重力载荷相似，浮力载荷也仅考虑立柱的浮力，但浮力载荷在不同的特征工况下是不一致的，由于波浪的原因，不同的特征工况下不同的立柱吃水也不同，因此将根据实际立柱的吃水确定浮力载荷；

C.波浪载荷确定，同样由于尺度原因，仅考虑立柱上受到的波浪载荷；现有的四立柱半潜浮式风机基础的立柱直径为10～20m，而三种特征工况的波长为130～300m，立柱相对于波浪属于小构件，满足莫里森Morison方程的使用条件，遂采用海洋工程中应用广泛的莫里森Morison方程计算波浪载荷，如下：

式(4)中，F_N为波浪载荷；ρ为海水密度；C_A为附加质量系数，立柱为圆柱形时C_A＝1；C_D为拖曳系数，立柱为圆柱形时C_D＝1；A为立柱的横截面的面积；D为立柱的直径；a为水质点的水平运动加速度；v为水质点的水平运动速度；

根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动速度v：

根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动加速度a：

式(5)和式(6)中，H为波高；k为波数，

d为水深；z为水质点的深度；x为波浪的传播方向；ω为波浪的圆频率；t为时间；

根据以上公式(4)、(5)、(6)得到三种特征工况下第一立柱11、第二立柱12、第三立柱13和第四立柱14所受到的波浪载荷，参见下表2

表2

步骤四，结构模型建立，在ANSYS DesignModeler模块中建立风机基础的梁系结构模型；本发明针对的风机基础的主体结构为立柱与撑杆，立柱的强度不在本发明的考虑范围内，因此将整体模型简化为梁系模型，梁系模型中的撑杆赋予实际撑杆剖面，而立柱不赋予剖面，最后再赋予风机基础各部件实际质量形成完整的结构模型(见图6)；

步骤五，模型有限元离散，在ANSYS Static Structural模块对梁系结构模型中开展有限元离散，使梁系结构模型离散为一维网格的有限元模型(见图 7)，网格的长度根据计算所需的精度确定，网格的长度最好是撑杆的直径，本实施例选用网格的长度为2.5m；

步骤六，弱弹簧边界条件施加，在ANSYS Static Structural模块中开展，即在每根位于下部的撑杆上的每个网格节点上各施加一个垂直向弹簧约束31 和一个横向弹簧约束32(见图8)，取弹簧的刚度为10N/m，由于弹簧的刚度远小于风机基础的各向刚度，这种弹簧也叫弱弹簧；尽管四立柱漂浮式风机基础在三种特征工况下均是受力平衡的，但由于有限元软件的计算误差，受力平衡也会发生六自由度的位移，导致无法完成静力学分析，而弱弹簧可以平衡微小的误差，设置弱弹簧后能解决了四立柱漂浮式风机基础发生六自由度的位移的问题，并且不影响计算结果；

步骤七，载荷施加，在有限元模型中施加步骤三确定的重力载荷、浮力载荷和波浪载荷，包括：

A.重力载荷施加，重力竖直线下，重力载荷以均布载荷的形式施加于立柱的整体上；

B.浮力载荷施加，浮力竖直向上，浮力载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心。

C.波浪载荷的施加，波浪载荷的方向由三种特征工况的波形决定，将波浪载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心；

步骤八，静力学分析，在ANSYS Static Structural模块中对施加了边界条件和载荷后的有限元模型开展静力学分析，得到撑杆的范式应力；分析得到三种特征工况下的最大范式应力如下表3所示：

表3

将撑杆的范式应力与撑杆材料的极限强度进行对比，判断撑杆结构强度是否足够，从表3中可以看到第二种特征工况下的撑杆的最大范式应力为 79.93MPa，对比撑杆材料的极限强度355MPa有较大的富余，因此判定撑杆结构强度足够，可据此在风机基础的设计阶段优化撑杆结构。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：

步骤一，特征工况选取，即选取三种风机基础易失效或破坏的特征工况和对应的波形；

步骤二，波浪参数确定，根据三种特征工况的波形确定三种特征工况下的波长，并根据波浪理论公式确定三种特征工况下的波浪周期和波高；

步骤三，载荷确定，即确定风机基础的四根立柱上所受到的重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；

步骤四，结构模型建立，即在ANSYSDesign Modeler模块中建立风机基础的梁系结构模型；

步骤五，模型有限元离散，在ANSYS Static Structural模块中对梁系结构模型开展有限元离散，形成一维网格的有限元模型；

步骤六，弱弹簧边界条件施加，在ANSYS Static Structural模块中开展，即在每根位于下部的撑杆上的每个网格节点上各施加一个垂直向弹簧约束和一个横向弹簧约束；

步骤七，载荷施加，在有限元模型中施加重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；

步骤八，静力学分析确定撑杆结构强度，在ANSYS Static Structural模块中开展静力学分析，得到三种特征工况下撑杆的范式应力，再将撑杆材料的屈服强度与撑杆的范式应力进行对比，判断撑杆的结构强度是否足够。

2.根据权利要求1所述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，进行步骤一时，选取的第一种特征工况为横向分离力最大工况，选取的第二种特征工况为扭矩最大工况，选取的第三种特征工况为分离力-扭矩组合工况。

3.根据权利要求1所述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，进行步骤二时，包括：

A.波长确定，即根据三种特征工况时的波形一一对应地确定三种特征工况下的波长L与立柱的间距B之间的关系：

式(1)中，L₁为第一种特征工况下的波长；L₂为第二种特征工况下的波长；L₃为第三种特征工况下的波长；B为立柱的间距；

B.波浪周期确定，根据线性波浪理论得到波浪周期T公式：

式(2)中，L为波长；k为波数，

d为水深；

C.波高确定，根据海工行业内推荐的线性波波高公式(3)计算波高H：

式(3)中，T为波浪周期；H₁₀₀为百年一遇的波高。

4.根据权利要求1所述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，进行步骤三时，包括：

A.重力载荷确定，按风机基础的实际重量确定总重力载荷，等分后施加于立柱上；

B.浮力载荷确定，根据立柱的实际吃水确定浮力；

C.波浪载荷确定；采用莫里森方程计算波浪载荷，如下：

式(4)中，F_N为波浪载荷；ρ为海水密度；C_A为附加质量系数，立柱为圆柱形时C_A＝1；C_D为拖曳系数，立柱为圆柱形时C_D＝1；A为立柱的横截面的面积；D为立柱的直径；a为水质点的水平运动加速度；v为水质点的水平运动速度；

根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动速度v：

根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动加速度a：

式(5)和式(6)中，H为波高；k为波数，

d为水深；z为水质点的深度；x为波浪的传播方向；ω为波浪的圆频率；t为时间。

5.根据权利要求1所述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，进行步骤七时，包括：

A.重力载荷施加，重力竖直向下，重力载荷以均布载荷的形式施加于立柱整体上；

B.浮力载荷施加，浮力竖直向上，浮力载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心；

C.波浪载荷施加，波浪载荷的方向由三种特征工况的波形决定，波浪载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心。

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