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基于SACS-Bladed的海上风电机组基础结构疲劳分析方法研究

吴永祥;罗翔

【期刊名称】《风能》

【年(卷),期】2016(000)002

【总页数】4页(P106-109)

【作者】吴永祥;罗翔

【作者单位】龙源北京风电工程设计咨询有限公司;龙源北京风电工程设计咨询有限公司

【正文语种】中文

海上风电机组基础与陆上风电机组基础受力情况不同，除了承受风载荷、上部风电机组运行载荷以外，还承受波浪、海流等载荷，因此进行多工况下风电机组基础的疲劳分析是工程设计过程中的难点。海上风电机组基础属于海洋结构工程范畴，但因为风电机组塔筒结构兼具高耸结构的特性，动力特性明显，易发生疲劳损伤，同时风电机组支撑结构又具有自身受力特点，因此对海上风电机组基础结构分析需要考虑：土壤+波浪+支撑结构+塔筒+机舱叶片的整体结构分析模式。

本文以某四桩导管架海上风电机组基础支撑结构为例，通过海洋工程设计软件SACS以及风电机组载荷计算软件Bladed联合进行疲劳计算分析。分析过程全面考虑了海上风电机组的疲劳载荷，包括波流载荷和风电机组载荷时程曲线，参考选取API、DNV等规范建议的S－N曲线，基于Miner疲劳累积损伤理论进行结构管节点疲劳寿命计算，计算效率高、分析精确，为海上风电机组基础在风波流耦合条件下的结构疲劳分析提供一定的方法和思路。

海洋平台结构一般采用谱疲劳分析方法：该方法认为波浪载荷是造成海洋平台结构疲劳的主要原因，通过波浪的概率分布来计算结构的疲劳寿命，称为谱疲劳分析方法。陆上风电机组结构的疲劳分析，一般采用风电机组等效疲劳载荷来进行结构的疲劳计算。而对于海上风电机组基础来说，同时要承受波浪载荷和风电机组载荷的耦合作用。

现有的欧洲、国内的工程实践以及研究表明，疲劳分析是海上风电机组基础结构的设计难点，疲劳工况也是风电机组支撑结构分析的控制工况。现有的一些分析方法是将风电机组疲劳损伤和波浪疲劳损伤进行简单叠加，而国外的研究表明，此种做法过于保守，实际上应该考虑风电机组载荷和波浪载荷的耦合效应。国外欧洲Utgrunden项目采用的是风电机组载荷疲劳损伤和波浪疲劳损伤分别计算，然后采用平方和开平方得到最终疲劳寿命；Blyth项目采用的是完全时域模拟方法，将风电机组疲劳载荷和波浪疲劳载荷全时间域内计算，共计90个工况。Janvan则提出采用完全时域模拟方法，并用于实际项目结果符合良好。国内方面，目前的疲劳设计中，一般采用传统的等效载荷疲劳分析方法进行分析。

一、风电机组载荷

海上风电机组支撑结构主要载荷是风电机组载荷。目前国内风电机组载荷计算一般选用专业计算软件GHBladed，而海上风电机组支撑结构设计属于海洋工程领域，在具体的分析过程中，一般由风电机组厂家按照IEC61400规范要求提供相应的风电机组载荷。

二、环境载荷

海上风电机组基础支撑结构受到的环境荷载主要为风、波流载荷。一般采用常规海洋工程方法计算，作用于支撑结构以及塔架上的风载荷按照静态风压计算，波流载荷按照APIRP-2A规范中的Morison公式计算。

三、动力特性

海上风电机组支撑结构塔筒刚度较小，结构较柔，易发生共振，动力特性明显。一般基础支撑结构设计需要满足结构的固有频率介于风电机组叶片的频率1P和3P之间，并考虑10％的安全系数，保证结构不会发生共振。

传统的海洋结构物疲劳分析方法和风电机组基础结构疲劳分析方法都有一定的局限性，随着分析技术的进步以及专业设计软件的发展，本文通过采用SACS软件和Bladed软件建立起合适的专业数据接口，找到一种合理的计算方法对风电机组疲劳载荷和波浪载荷进行耦合分析。具体疲劳分析流程如下：

（一）采用SACS软件建立风电机组基础结构模型，并根据轮毂高度模拟建立塔筒模型。

（二）依据APIRP2A规范计算得出土壤特性曲线，竖向载荷－位移T-Z曲线、桩尖载荷－位移Q-Z曲线以及侧向承载力－位移P-Y曲线。

（三）通过SACS对风电机组基础结构进行计算，并输出BLADED可读取的基础结构数据文件precede.$PJ。

（四）运行分析程序BLADED直接读取基础结构数据文件precede.$PJ，然后根据IEC61400-1_ed3设计规范进行疲劳工况计算（N个）。通过计算然后分别把每个工况下的疲劳力存储在相应的文件夹X（X是1-N，下同）下的文件thload（x）.dat中，对应的风的时程力曲线存储在相应的文件夹X下的文件thwind（x）.dat中，然后把每个工况对应的波浪参数存储到相应的文件夹X下的文件wvrinp（x）.dat中。

（五）风电机组基础的疲劳计算步骤

1．根据基础结构模型、海况条件和土壤条件进行桩基线性化，生成桩基的超单元文件dynsef.sup。

2．进行桩基结构动力分析，读入上步结果文件d