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海上风电机组基础防碰撞分析及防护措施探讨

2014-12-11 11:21
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  随着风力发电技术的快速发展,陆上可开发利用的风电场越来越少,而海上风电开发越来越受到重视。海上风电机组基础作为海上风电开发的基础性设施,长期在海上恶劣的环境下工作,不可避免会遇到各种碰撞问题。例如,供应船与基础的碰撞、上部结构坠物到基础平台和浮冰对基础的撞击等。这些意外事故经常使基础发生整体弯曲或局部屈曲,结构承载能力降低,直接影响到基础的安全性和耐久性,甚至可能引起风电机组倒塌等灾难性后果。

  根据Tebbett《最近五年钢制平台的修理经验》中对世界上100起需要修理的海洋结构物损伤原因进行分析得到结果,约25%的海洋结构物损伤是由于碰撞引起的。根据英国HSE机构对海洋平台的损伤调查,在海洋平台发生损伤的原因调查中船舶碰撞占11.2%,是主要原因之一。根据DNV海洋工业报告,在挪威北海海域从2001年到2011年十年间共发生船舶与海洋平台碰撞事故26起,其中6起造成严重后果。

  海上风电机组基础与海洋平台有着类似的结构形式,但是由于海上风电机组处于刚刚起步阶段,技术尚未成熟,对应的海上风电机组基础碰撞方面的研究还不够充分,也很少有标准规范可供参考。本文对海上基础与船舶碰撞的研究借鉴了海洋平台碰撞方面的标准和经验。基于ANSYS/LS-DYNA软件,通过结构模型化及数值仿真计算,获得并分析了船桥碰撞力、能量转换、以及风电机组基础结构的冲击响应的一般规律和特点,从而为海上风电机组基础设计、维护、防撞措施等提供理论上的支持。

  船舶与海洋平台基础碰撞理论发展

  早在20世纪60年代,Minorsky在20多个船舶与平台碰撞事故或者实验的统计数据分析中,得到了撞击船的动能损失量与被撞平台结构损伤之间的线性关系,并以经验公式的形式给出。MartinJ.Petersen的研究工作也同样具有代表性,对二维情况下的碰撞运动过程进行了分析。20世纪70年代,McDermott等人根据塑性静力学的基本理论和方法对游轮与平台结构的低能碰撞问题作了研究。随着有限元技术的发展,Reckling、Minorsky和Yang等人相继采用有限元技术对船舶平台碰撞问题进行了研究分析。20世纪90年代,Kawamoto及Che和Jang利用显示非线性分析程序MSC/DYTRAN对超大型油轮在碰撞中的结构响应进行了数值模拟分析,采用显示有限元法(LSDYNA3D)分析撞击船的船艏和被撞平台的结构损伤变形,且计算中假设为刚体碰撞。

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