漂浮式潮流電站載體結(jié)構(gòu)疲勞分析

徐國(guó)明，孫蘇龍，劉 峰

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129；3.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

潮流能是具備商業(yè)化運(yùn)營(yíng)潛力的新能源之一，因其分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、可利用度高、環(huán)境污染小，而備受各國(guó)的重視[1]。目前，潮流電站水輪機(jī)主要有水平軸和立軸兩種，潮流電站載體主要有漂浮式、樁柱式和座底式三種[2]。

漂浮式潮流電站載體在風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷作用下發(fā)生六自由度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)承受波浪作用在載體上的交變載荷，而載體結(jié)構(gòu)的安全壽命往往取決于其疲勞特性，因此進(jìn)行疲勞分析很有必要。

目前針對(duì)疲勞分析，有簡(jiǎn)化計(jì)算法和直接計(jì)算法兩種方法[3]。本文應(yīng)用直接計(jì)算法中的譜分析法，對(duì)某 200kW 漂浮式潮流能電站載體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。由水動(dòng)力計(jì)算軟件SESAM求出載體在規(guī)則波下的波浪力響應(yīng)值，再將其加載到 ANSYS結(jié)構(gòu)模型上，通過(guò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)得到疲勞點(diǎn)的應(yīng)力值，進(jìn)而應(yīng)用疲勞短期累積損傷理論和S-N曲線計(jì)算熱點(diǎn)的疲勞壽命。

1 計(jì)算模型

1.1 載體形式及主尺度

200kW漂浮式潮流電站載體為艏艉、左右對(duì)稱的“中”字形，承載水平軸雙葉片可變槳式水輪機(jī)，工作于齋堂島海域。電站外形如圖1所示，主尺度如表1所示。

圖1 200kW漂浮式潮流電站示意圖

表1 潮流電站主尺度

1.2 疲勞計(jì)算模型

本文選取潮流電站載體結(jié)構(gòu)兩個(gè)熱點(diǎn)進(jìn)行分析。熱點(diǎn)1位于首部甲板與中體交匯處，此點(diǎn)是屈服和屈曲分析中局部應(yīng)力較大的點(diǎn)；熱點(diǎn)2位于甲板中部，此處由于經(jīng)常處于中垂或中拱波浪載荷作用狀態(tài)，交變應(yīng)力較大。

網(wǎng)格單元均為四邊形單元，從熱點(diǎn)附近的細(xì)網(wǎng)格逐漸往外擴(kuò)散，最終與全船網(wǎng)格連接，保證應(yīng)力傳遞的梯度[4]。在 ANSYS中建立的疲勞計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 潮流能電站載體疲勞分析模型

2 電站載體疲勞分析

譜分析法是研究載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的方法。當(dāng)電站載體漂浮于海面上時(shí)，會(huì)對(duì)波浪的作用做出相應(yīng)的響應(yīng)，產(chǎn)生交變應(yīng)力[5]。針對(duì)船舶來(lái)講，整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)可以用功率譜密度與應(yīng)力幅值和波浪譜密度之間的關(guān)系來(lái)表示，見式(1)。

式中：H(σs)稱作應(yīng)力范圍傳遞函數(shù)；|H(σs)|2稱作響應(yīng)幅值算子；Gηη(ω)是波浪譜密度函數(shù)。

本文應(yīng)用譜分析法對(duì)所選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞可靠性分析，其具體分析流程如圖3所示。

圖3 譜分析法流程

2.1 波浪載荷計(jì)算

根據(jù)潮流電站工作海域環(huán)境，確定計(jì)算波浪載荷的工況和參數(shù)，如表2所示。

采用SESAM軟件計(jì)算各浪向角與波頻組合下的 RAO響應(yīng)值。因載體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，故計(jì)算0°～90°浪向角即可。浪向角與頻率相互組合，共計(jì)算80種工況，得到了電站載體濕表面在每一種工況下單位波幅作用下的壓力值，計(jì)算結(jié)果用實(shí)部和虛部表示。

計(jì)算結(jié)果包括2236個(gè)濕表面單元在單位波幅下的壓力值，共有160個(gè)結(jié)果文件，用于ANSYS中計(jì)算發(fā)電載體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

表2 波浪載荷計(jì)算工況和參數(shù)

2.2 熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)計(jì)算

計(jì)算疲勞部位的熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)，通過(guò)ANSYS軟件分別加載每個(gè)工況下的波浪載荷及載體的慣性載荷，提取距離熱點(diǎn)位置為0.5t和1.5t單元表面的最大主應(yīng)力，再根據(jù)線性插值的方法外推熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)大小。插值方法如圖4所示。

圖4 熱點(diǎn)應(yīng)力插值示意圖

以熱點(diǎn)1為例，在浪向角為30°，波浪頻率為0.5rad/s時(shí)熱點(diǎn)附近兩個(gè)單元應(yīng)力相應(yīng)分別為5.6MPa和4.6MPa。根據(jù)插值公式，可以求出在此工況下實(shí)部和虛部分別加載后，熱點(diǎn)傳遞函數(shù)大小為6.7MPa。同樣的方法可以求出在每個(gè)工況下的熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)值，所有浪向和頻率組合工況下的熱點(diǎn)1應(yīng)力范圍傳遞函數(shù)如圖5所示。

圖5 熱點(diǎn)應(yīng)力范圍響應(yīng)傳遞函數(shù)

2.3 熱點(diǎn)應(yīng)力范圍功率譜

在求得熱點(diǎn)應(yīng)力范圍傳遞函數(shù)之后，根據(jù)式(1)可求出每一工況在每一種海況下熱點(diǎn)應(yīng)力范圍功率譜。在本文中譜密度函數(shù)Gηη(ω)取P-M譜。

以下圖6至圖8給出了對(duì)應(yīng)中國(guó)沿海海況下熱點(diǎn)1在0°浪向角下的熱點(diǎn)應(yīng)力范圍功率譜。

圖6 0°浪向角下HZ=3.5s和HZ=4s下應(yīng)力范圍功率譜密度

2.4 疲勞壽命計(jì)算

求得每個(gè)海況下的熱點(diǎn)應(yīng)力功率譜后，根據(jù)疲勞累積損傷度的計(jì)算公式，結(jié)合S-N曲線（如圖9所示），對(duì)熱點(diǎn)疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算求得的熱點(diǎn)1和熱點(diǎn)2的疲勞壽命，如表3所示。

圖7 0°浪向角下HZ=5s和HZ=6s下應(yīng)力范圍功率譜密度

圖8 0°浪向角下HZ=7s和HZ=8s下應(yīng)力范圍功率譜密度

圖9 S-N曲線

表3 熱點(diǎn)疲勞壽命

3 結(jié)論

本文基于譜分析法，對(duì)漂浮式潮流電站載體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）在利用SESAM得到波浪載荷響應(yīng)之后，將結(jié)果用實(shí)部和虛部表示，使后續(xù)ANSYS載荷的施加更為方便；

2）計(jì)算結(jié)果表明所選熱點(diǎn)的壽命滿足要求；

3）利用譜分析法對(duì)漂浮式潮流電站載體進(jìn)行疲勞分析是一種較為實(shí)用的方法。

[1]戴慶忠.潮流能發(fā)電及潮流能發(fā)電裝置[J].東方電機(jī),2010(2):51-66.

[2]王志超.漂浮式潮流電站總體方案設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工程大學(xué),2011.

[3]王洪慶.漂浮式潮流電站載體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2012.

[4]荊豐梅, 何寶, 王洪慶, 張亮.漂浮式潮流電站載體船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].船舶力學(xué),2013(Z1):118-124.

[5]王煒煒, 劉敬喜, 龔榆峰, 趙耀, 張澤.基于譜分析法的穿浪雙體船典型節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評(píng)估[J].中國(guó)造船,2013(4):19-27.