CN113268876B - 一种附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法，属于海上风电与海水网箱养殖技术领域。该方法包括选取疲劳工况荷载设计组合工况；建立附加养殖网箱的海上风机转子结构‑塔筒结构‑网箱结构‑基础结构‑桩基结构及伺服控制方法的整体耦合分析模型；获取关键节点热点应力时程；计算节点疲劳损伤。本发明适用于多种基础型式融合海水养殖的固定式海上风机结构设计，可以进行风、浪、流作用下，附加养殖网箱的固定式海上风机整体耦合动力特性分析，充分考虑结构之间的耦合效应，更为准确地计算各节点疲劳损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法，属于海上风电与海水网箱养殖技术领域。
背景技术
海上风力发电传统固定式风机基础海底施工较为复杂，基础设施投资比陆上风机要高很多，投资回收期相对较长。然而，渔业养殖的利润远远高于海上发电。将海上风电与海洋牧场渔业养殖结合开发利用，对于缩短成本回收期和产生相关利润有重要意义。
由于附加养殖网箱的海上风机基础安装在海床上，基础所处的地质结构复杂，需要承受海上风、浪和海流等诸多随机荷载作用，使得增殖型风机基础结构复杂，体积庞大，造价昂贵。因此对这一投资高、风险大的复杂基础结构进行设计计算和疲劳分析是十分必要的。
传统的海上风机疲劳分析方法分为谱疲劳分析和时域疲劳分析。相对于谱疲劳分析方法，时域疲劳分析能够得到更为合理的结构疲劳累积。同时为考虑环境荷载、伺服控制、桩土相互作用、网箱结构以及风机结构反应之间的耦合动力特性，应该在海上风机时域疲劳分析中应用整体耦合模型，充分考虑环境荷载耦合效应对于结构疲劳损伤累积的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法。基于该发明提出的疲劳分析方法可以实现风、浪和流荷载联合作用下的包含转子结构-塔筒结构-网箱结构-基础结构-桩基结构及伺服控制方法的整体耦合疲劳分析。
本发明采用的技术方案是：一种附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法，其整体耦合疲劳方法包括以下步骤：
a.依据基于风、浪联合概率分布选取疲劳工况，并生成计算所需的风速时程文件；
b.基于非线性p-y、t-z和q-z桩-土相互作用曲线和弹性地基梁模型开展桩基线性化，得到线性化的桩基点刚度、质量矩阵；
c.对于重力式、高桩承台形式海上风机基础，运用Guyan方法、Dynamic方法、C-B方法或SEREP方法对线性化后的桩基础和基础结构质量、刚度矩阵文件进行缩聚，生成基础结构超单元矩阵文件，将基础结构等效为超单元矩阵；
d.基于步骤a中风速时程文件、波浪参数和步骤b中桩头刚度矩阵文件，建立包含转子结构-塔筒结构-网箱结构-基础结构-桩基结构及伺服控制方法的桩柱式海上风机整体耦合模型，进行附加养殖网箱的单桩、导管架及多桩基础型式海上风机整体耦合动力相应计算，得到基础杆件和养殖网箱杆件的内力时程文件；
e.d中所述的转子结构-塔筒结构-网箱结构-基础结构-桩基结构及伺服控制方法的海上风机整体耦合模型包含以下特征：转子结构包括叶片前三阶模态，塔筒结构包含前四阶模态形状，网箱结构和基础结构采用线性梁单元，桩基结构采用线性化的桩基点刚度、质量矩阵模拟；其中网箱结构模型中的网衣结构尺寸，材料性质依据网目群化法确定；
f.基于步骤b中的基础结构超单元矩阵文件，建立转子结构-塔筒结构-超单元矩阵的海上风机耦合计算模型，读取步骤a中风速时程文件和波浪时程文件，开展附加养殖网箱的重力式、高桩承台基础型式海上风机整体耦合动力响应计算，得到基础结构和养殖网箱杆件的内力时程文件；
g.根据步骤c或步骤e中杆件内力时程文件，在环境荷载作用下的热点应力时程按下列规定确定：
g1.首先轴向荷载、面内及面外弯矩作用下管节点名义应力，可按下式计算：
式中：σx，σmy，σmz分别为管节点轴向拉伸载荷、面内弯曲和面外弯曲管节点名义应力，Fz为轴向力，Mi为面内弯矩，Mo为面外弯矩，d为撑杆的直径，D为弦杆的直径，t为撑杆的壁厚。
g2.然后依据典型管节点热点应力集中因子(SCF)计算公式(4-9)计算热点应力集中因子。
SCF＝1.45βτ0.85γ(1-0.68β)(sinθ)0.7 (4)
SCF＝gt1.1(1.11-3(b-0.52)2)(sinq)1.6 (5)
SCF＝γ0.2τ(2.65+5(β-0.65)2)+τβ(C2α-3)sinθ (6)
SCF＝3+λ1.2(0.12exp(-4β)+0.011β2-0.045)+βτ(C3α-1.2) (7)
SCF＝1+0.65βτ0.4γ(1.09-0.77β)(sinθ)(0.06γ-1.16) (8)
SCF＝τ-0.54γ-0.05(0.99-0.47β+0.08β4)·γτβ(1.7-1.05β3)(sinθ)1.6 (9)
式中：T为弦杆的壁厚，g为两撑杆的距离，θ为撑杆与弦杆之间的夹角，β为d与D的比值，τ为t与T的比值，γ为D与2倍的T的比值，C2和C3为弦端固定参数。
g3.最后，依据海上风机规范推荐的管节点热点应力计算公式，基于杆件名义内力和热点应力集中因子，各关键节点的疲劳应力时程可按下式计算：
σ1＝SCFACσx+SCFMIPσmy (10)
σ3＝SCFASσx-SCFMOPσmz (12)
σ5＝SCFACσx-SCFMIPσmy (14)
σ7＝SCFASσx+SCFMOPσmz (16)
式中，SCFAC和SCFAS分别为弦杆在轴向荷载作用下管节点冠点和鞍点处的应力集中因子，SCFMIP和SCFMOP分别为面内弯矩作用下应力集中因子和面外弯矩作用下应力集中因子。
h.基于步骤g中热点应力时程文件，利用雨流计数法确定疲劳应力时程对应的疲劳应力幅Δσ及其循环作用次数ni。
i.所述的步骤h具体包含以下计算步骤：
i1.找出应力-时间历程中的最高峰和最低谷，比较两者绝对值的大小，在绝对值大的点打断应力-时间历程，重新对接，以绝对值大的点为起点，得到新的应力-时间历程；
i2.雨流按顺序依次从应力-时间历程中的峰值(谷值)的内侧向下流，当遇到比起始点更大的峰值(更低的谷值)时，便停止流动；
i3.当雨流遇到上面流下的雨流时，则停止流动；
i4.根据i3统计得到所有的全循环或者半循环，记录并计算的各个循环的疲劳应力幅Δσ幅值和均值。
j.基于步骤得到疲劳应力幅及循环作用次数ni，疲劳应力幅所对应的最大允许循环作用次数N由下式确定：
式中，tref为参照厚度，t为最可能发生裂纹的厚度，若如果该厚度小于参照厚度，则取t＝tref；k为厚度指数；
k.利用P-M线性损伤累积准则计算并得到附加养殖网箱的海上风机结构在各工况下的疲劳累积损伤，疲劳累积损伤可由式(19)计算得到。
式中，Di为第i应力幅作用下的疲劳累积损伤，Ni为该应力幅作用下的极限疲劳损伤。
本发明的有益效果：
1.可以充分考虑到环境荷载、控制方法、桩土相互作用、网箱结构以及风机结构反应之间的耦合效应，建立更完善的附加养殖网箱的海上风机整体耦合模型，计算的结构反应更为合理，准确。
2.计算中根据风、浪联合概率分布选取荷载工况，采用时域疲劳分析方法进行疲劳荷载计算，充分考虑环境荷载耦合效应对于结构长期疲劳累积的影响，可以获得附加养殖网箱的海上风机更为实际疲劳损伤累积。
3.本发明适用于多种基础型式的加装网箱的固定式海上风机疲劳分析。
附图说明
上述介绍仅是本发明技术方案的概述，为了更为详细和清楚地介绍本发明的关键技术手段，以下附图和具体实施方式对本发明进行更详细的概述。
图1是附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法设计流程图。
图2是附加养殖网箱的海上单桩基础风机基本分析模型及荷载图。
图3是风、浪作用下附加养殖网箱的海上单桩基础风机塔筒结构的塔基弯矩时程图。
图4是风、浪作用下附加养殖网箱的海上单桩基础风机网箱结构管节点的弯矩时程图。
图5是风、浪作用下附加养殖网箱的海上单桩基础风机网箱结构管节点的热点应力时程图。
具体实施方式
本发明一种附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法主要包括：选取疲劳工况荷载设计组合工况；建立附加养殖网箱的海上风机转子结构-塔筒结构-网箱结构-基础结构-桩基结构及伺服控制方法的整体耦合分析模型；获取关键节点热点应力时程；计算节点疲劳寿命等。各部分对应的分析方法包括下步骤和特征：
第1步，基于风速、波高、周期联合概率分布表选取疲劳工况。
第2步，依据参考风速和风谱参数生成各疲劳工况相应的风速时程文件。
第3步，根据风机桩基参数和地勘资料，基于API RP 2A设计规范建议非线性p-y、t-z和q-z桩-土相互作用曲线和弹性地基梁模型，采用有限差分法开展桩基线性化分析，得到桩基点位置的线性刚度和质量矩阵。
基于p-y曲线法以及动力凝聚的方法，通过在程序中输入土层信息，包括土壤的类型、土壤的不排水抗剪强度、土的重度、土层深度等基本信息，凝聚出桩头刚度矩阵，选取的某次实例计算的桩头刚度矩阵如下式所示。
第4步，依据静力凝聚方法(Guyan方法)或基础结构动力凝聚方法(Dynamic方法、C-B方法和SEREP方法)对线性化后的桩基点和重力式、高桩承台基础结构质量、刚度矩阵文件进行基础超单元凝聚，计算得到基础结构超单元矩阵。
基于SEREP方法所得单桩基础超单元质量和刚度矩阵如下所示。基础结构特征频率对比如下表所示。
第5步，桩-土耦合动力分析模块，建立包含转子结构-塔筒结构-网箱结构-基础结构-桩基结构及伺服控制方法的桩柱式海上风机整体耦合模型。
进一步来说，本发明的所采用的海上风机整体耦合模型建模具有以下特征：
(1)根据叶片翼型参数、气动力参数、轮毂和机舱的模型参数，基于叶素动量理论建立转子结构气弹分析模型。
(2)根据转子叶片前三阶模态和塔筒前四阶模态及几何和材料参数建立转子叶片、塔筒数值仿真模型
(3)根据网箱结构和基础结构的材料、几何参数和水动力系数，使用线性梁单元建立网箱和基础结构有限元模型和水动力模型。
(4)采用线性化的桩基点刚度、质量矩阵模拟桩基结构，建立桩-土相互作用模型。
(5)施加海上风机伺服控制方法。
进一步来说，本发明所采用的桩土相互作用模型具有以下特征：
(1)改变风机基础结构运动方程泥面处边界条件，边界条件由固定边界约束变为弹性边界约束，图2为修改边界条件后附加养殖网箱的海上单桩基础风机基本分析模型及荷载图。
(2)基于边界条件对基础结构质量和刚度矩阵进行修正。
进一步来讲，本发明所采用的网箱结构网衣通过线性梁单元模拟，网衣的结构尺寸通过网目群化法确定，包括以下特征：
(1)通过网目群化法群化后，网衣质量保持不变。
(2)网目所覆盖的面积在群化后保持不变。
(3)沿流方向网目的投影面积在群化后保持不变。
第6步，依据波浪参数，第2步的风速时程文件和第3步的桩头刚度矩阵文件，进行附加养殖网箱的单桩、导管架及多桩基础型式的桩柱式海上风机整体耦合动力相应计算，得到基础杆件和养殖网箱杆件的内力时程文件；
第8步，基于第4步中基础结构超单元矩阵文件，建立转子结构-塔筒结构-超单元矩阵的海上风机耦合计算模型，图2为附加养殖网箱的海上单桩基础风机基本分析模型及荷载图。
第9步，据波浪参数及第2步的风速时程文件，开展附加养殖网箱的重力式、高桩承台基础型式海上风机结构耦合动力响应计算，得到塔筒结构、基础结构和养殖网箱杆件的内力时程文件。图3为风、浪作用下附加养殖网箱的海上单桩基础风机塔筒结构的塔基弯矩时程图，图4为风、浪作用下附加养殖网箱的海上单桩基础风机网箱结构管节点的弯矩时程图。
第10步，基于典型管节点热点应力集中因子(SCF)计算公式，开发热点应力计算模块，读取杆件内力时程文件，计算各关键节点的热点应力时程。图5为风、浪作用下附加养殖网箱的海上单桩基础风机网箱结构管节点的热点应力时程图；
进一步来讲，本发明所述的热点应力计算模块具有以下特征：
(1)首先，依据轴向拉伸荷载，面内弯曲荷载和面外弯曲荷载这三种荷载作用下名义应力计算公式，输入杆件的内力时程文件计算杆件名义应力时程。轴向荷载、面内及面外弯矩作用下管节点名义应力，可按下式计算：
式中：σx，σmy，σmz分别为管节点轴向拉伸载荷、面内弯曲和面外弯曲管节点名义应力，Fz为轴向力，Mi为面内弯矩，Mo为面外弯矩，d为撑杆的直径，D为弦杆的直径，t为撑杆的壁厚。
g2.然后依据典型管节点热点应力集中因子(SCF)计算公式(4-9)计算热点应力集中因子。
g3.最后，依据海上风机规范推荐的管节点热点应力计算公式，基于杆件名义内力和热点应力集中因子，各关键节点的疲劳应力时程可按下式计算：
(2)而后，依据典型管节点热点应力集中因子(SCF)计算公式(4-9)计算热点应力集中因子。
SCF＝1.45βτ0.85γ(1-0.68β)(sinθ)0.7 (4)
SCF＝gt1.1(1.11-3(b-0.52)2)(sinq)1.6 (5)
SCF＝γ0.2τ(2.65+5(β-0.65)2)+τβ(C2α-3)sinθ (6)
SCF＝3+λ1.2(0.12exp(-4β)+0.011β2-0.045)+βτ(C3α-1.2) (7)
SCF＝1+0.65βτ0.4γ(1.09-0.77β)(sinθ)(0.06γ-1.16) (8)
SCF＝τ-0.54γ-0.05(0.99-0.47β+0.08β4)·γτβ(1.7-1.05β3)(sinθ)1.6 (9)
式中：T为弦杆的壁厚，g为两撑杆的距离，θ为撑杆与弦杆之间的夹角，β为d与D的比值，τ为t与T的比值，γ为D与2倍的T的比值，C2和C3为弦端固定参数。
(3)最后，依据海上风机规范推荐的管节点热点应力计算公式(10-17)，基于杆件名义内力和热点应力集中因子，计算各关键节点的疲劳应力时程。
σ1＝SCFACσx+SCFMIPσmy (10)
σ3＝SCFASσx-SCFMOPσmz (12)
σ5＝SCFACσx-SCFMIPσmy (14)
σ7＝SCFASσx+SCFMOPσmz (16)
式中，SCFAC和SCFAS分别为弦杆在轴向荷载作用下管节点冠点和鞍点处的应力集中因子，SCFMIP和SCFMOP分别为面内弯矩作用下应力集中因子和面外弯矩作用下应力集中因子。
第11步，根据热点应力时程文件，使用雨流计数法统计得到疲劳应力时程对应的疲劳应力幅Δσ及其循环作用次数ni。
进一步来说，本发明疲劳应力幅Δσ及其循环作用次数ni的具体计算步骤如下：
首先基于热点应力时程文件找出应力-时间历程中的最高峰和最低谷，比较两者绝对值的大小，在绝对值大的点打断应力-时间历程，重新对接，以绝对值大的点为起点，得到新的应力-时间历程；
然后雨流按顺序依次从应力-时间历程中的峰值(谷值)的内侧向下流，当遇到比起始点更大的峰值(更低的谷值)时，便停止流动；当雨流遇到上面流下的雨流时，则停止流动；
最后统计得到所有的全循环或者半循环，记录并计算的各个循环的疲劳应力幅Δσ幅值和均值。
第12步，依据第11步得到的疲劳荷载应力幅Δσ及循环作用次数ni，基于S-N曲线和Miner疲劳累计准则，计算并得到附加养殖网箱的海上风机结构在各工况下的疲劳损伤。
进一步来说，本发明疲劳损伤的具体计算步骤如下：
首先，基于雨流计数法统计得到疲劳应力幅及循环作用次数n，疲劳应力幅所对应的最大允许循环作用次数N由下式确定：
式中，tref为参照厚度，非焊接管节点取值为25mm，焊接管节点取值为32mm，螺栓取值为25mm；t为最可能发生裂纹的厚度，如果该厚度小于参照厚度，则取t＝tref；k为厚度指数。m为S-N曲线斜率的负倒数；loga为N轴的截距；
而后，利用P-M线性损伤累积准则计算并得到附加养殖网箱的海上风机结构在各工况下的疲劳累积损伤，疲劳累积损伤可由式(19)计算得到。
式中，Di为第i应力幅作用下的疲劳累积损伤，Ni为该应力幅作用下的极限疲劳损伤，ni为该应力幅实际作用次数。
Claims (1)
1.一种附加养殖网箱的海上风机整体耦合疲劳分析方法，其特征在于包含以下步骤：
a.依据基于风、浪联合概率分布选取疲劳工况，并生成计算所需的风速时程文件和波浪时程文件；
b.基于非线性p-y、t-z和q-z桩-土相互作用曲线和弹性地基梁模型开展桩基线性化，得到线性化的桩基点刚度、质量矩阵；
c.对于重力式、高桩承台形式海上风机基础，运用Guyan方法、Dynamic方法、C-B方法或SEREP方法对线性化后的桩基础和基础结构质量、刚度矩阵文件进行缩聚，生成基础结构超单元矩阵文件，将基础结构等效为超单元矩阵；
d.基于步骤a中风速时程文件、波浪参数和步骤b中桩基点刚度矩阵文件，建立包含转子结构-塔筒结构-网箱结构-基础结构-桩基结构及伺服控制方法的桩柱式海上风机整体耦合模型，进行附加养殖网箱的单桩、导管架及多桩基础型式海上风机整体耦合动力相应计算，得到基础结构和养殖网箱杆件的内力时程文件；
e.步骤d中所述的转子结构-塔筒结构-网箱结构-基础结构-桩基结构及伺服控制方法的海上风机整体耦合模型包含以下特征：转子结构包括叶片前三阶模态，塔筒结构包含前四阶模态，网箱结构和基础结构采用线性梁单元，桩基结构采用线性化的桩基点刚度、质量矩阵模拟；其中网箱结构模型中的网衣结构尺寸，材料性质依据网目群化法确定；
f.基于步骤c中的超单元矩阵文件，建立转子结构-塔筒结构-超单元矩阵的海上风机耦合计算模型，根据步骤a中风速时程文件和波浪时程文件，开展附加养殖网箱的重力式、高桩承台基础型式海上风机整体耦合动力响应计算，得到基础结构和养殖网箱杆件的内力时程文件；
g.根据步骤d中杆件的内力时程文件，在环境荷载作用下的热点应力时程按下列规定确定：
g1.首先轴向荷载、面内及面外弯矩作用下管节点名义应力，按下式计算：
式中：σx，σmy，σmz分别为管节点轴向拉伸载荷、面内弯曲和面外弯曲管节点名义应力，Fz为轴向力，Mi为面内弯矩，Mo为面外弯矩，d为撑杆的直径，D为弦杆的直径，t为撑杆的壁厚；
g2.然后依据典型管节点热点应力集中因子SCF计算公式，计算热点应力集中因子：
SCF＝1.45βτ0.85γ(1-0.68β)(sinθ)0.7 (4)
SCF＝gt 1.1(1.11-3(b-0.52)2)(sinq)1.6 (5)
SCF＝γ0.2τ(2.65+5(β-0.65)2)+τβ(C2α-3)sinθ (6)
SCF＝3+λ1.2(0.12exp(-4β)+0.011β2-0.045)+βτ(C3α-1.2) (7)
SCF＝1+0.65βτ0.4γ(1.09-0.77β)(sinθ)(0.06γ-1.16) (8)
SCF＝τ-0.54γ-0.05(0.99-0.47β+0.08β4)·γτβ(1.7-1.05β3)(sinθ)1.6 (9)
式中：T为弦杆的壁厚，g为两撑杆的距离，θ为撑杆与弦杆之间的夹角，β为d与D的比值，τ为t与T的比值，γ为D与2倍的T的比值，C2和C3为弦端固定参数；
g3.依据海上风机规范推荐的管节点热点应力计算公式，基于杆件名义内力和热点应力集中因子，各关键节点的疲劳应力时程可按下式计算：
σ1＝SCFACσx+SCFMIPσmy (10)
σ3＝SCFASσx-SCFMOPσmz (12)
σ5＝SCFACσx-SCFMIPσmy (14)
σ7＝SCFASσx+SCFMOPσmz (16)
式中，SCFAC和SCFAS分别为弦杆在轴向荷载作用下管节点冠点和鞍点处的应力集中因子，SCFMIP和SCFMOP分别为面内弯矩作用下应力集中因子和面外弯矩作用下应力集中因子；
h.基于步骤g中热点应力时程文件，利用雨流计数法确定疲劳应力时程对应的疲劳应力幅Δσ及其循环作用次数ni；
i.所述的步骤h具体包含以下计算步骤：
i1.找出应力-时间历程中的最高峰和最低谷，比较两者绝对值的大小，在绝对值大的点打断应力-时间历程，重新对接，以绝对值大的点为起点，得到新的应力-时间历程；
i2.雨流按顺序依次从应力-时间历程中的峰值或谷值的内侧向下流，当遇到比起始点更大的峰值或更低的谷值时，便停止流动；
i3.当雨流遇到上面流下的雨流时，则停止流动；
i4.根据i3统计得到所有的全循环或者半循环，记录并计算的各个循环的疲劳应力幅Δσ幅值和均值；
j.基于步骤得到疲劳应力幅及循环作用次数ni，疲劳应力幅所对应的最大允许循环作用次数N由下式确定：
式中，tref为参照厚度，t为最可能发生裂纹的厚度，若如果该厚度小于参照厚度，则取t＝tref；k为厚度指数；
k.利用P-M线性损伤累积准则计算并得到附加养殖网箱的海上风机结构在各工况下的疲劳累积损伤，疲劳累积损伤可由式(19)计算得到；
式中，Di为第i应力幅作用下的疲劳累积损伤，Ni为该应力幅作用下的极限疲劳损伤。
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