海上風電機組基礎防碰撞分析及防護措施探討

　　二、船舶與海洋平臺碰撞問題的有限元數值仿真

　　船舶碰撞的數值仿真大都采用非線性有限元方法，不僅能夠考慮結構大變形、接觸、材料非線性和結構失效等情況，計算碰撞區的結構損傷變形與碰撞力，而且結合了外部機理的分析與計算。

　　目前常用的三維非線性動態響應分析程序MSC/Dytran 和LS - DYNA 等都可以用來模擬碰撞響應，利用顯示或隱式方法求解流體-結構的動力學控制方程，能較好的解決碰撞中的大變形、損傷、接觸、流體動力等問題。

　　三、本文分析方法

　　本文采用兩步分析方法對船舶與風電機組海上基礎的碰撞進行數值模擬。

　　根據分析經驗，擬采用LS - DYNA 和ANSYS 軟件進行分析。借助ANSYS Workbench 軟件與SolidWorks良好的接口和強大的模型前處理功能，對要分析的船體和風電機組基礎進行網格劃分與處理，將生成的有限元模型導入LS - DYNA 進行剛體碰撞分析并提取所需結果。最后將碰撞分析結果作為輸入條件對風電機組基礎局部詳細模型進行分析，得到基礎結構的損傷。

船舶和風電機組基礎碰撞有限元分析

　　一、海上風電機組基礎結構模型

　　根據某風電機組海上基礎結構設計方案，建立六樁導管架基礎模型。每個基礎有6 根鋼管樁，結構底面直徑為24m;鋼管樁采用Q345C 型鋼材，導管架鋼材為Q345D 型，如圖1 所示。

　　假設撞擊船為5000 噸級，簡化后型長20m，型寬16m，型深15m，吃水線5m。計算模型碰撞區域采用殼單元建模，對艏尖艙之后的船體，因其遠離碰撞區域，實際并不產生變形，僅提供剛度和質量影響，故將其省略。

　　二、有限元模型

　　根據簡化的幾何模型建立有限元模型，為減少計算時間和保證結果精度，本項目中基礎和船體都采用殼單元SHELL163 單元建模;并對所關心的碰撞區域網格細化，得到整體結構有限元模型如圖2 和圖3 所示。

　　圖1 導管架基礎結構

　　碰撞構件之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發生接觸作用的結構之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結構之間的相互作用，并允許結構之間連續不斷的接觸和滑動。

　　圖2 整體結構有限元模型

　　圖3 局部網格加密

　　本文使用的是主從面接觸算法，在求解的每一時間步長，檢查從屬節點的位置坐標，看它是否已經穿透主面，如果還沒有穿透，則計算工作不受影響地繼續進行;如果已經穿透，則在垂直于主面的方向上施加一個作用力，以阻止從屬節點的進一步穿透，這個作用力就是接觸力。接觸力的大小取決于穿透量和接觸面兩側的單元屬性。

　　本項目模擬了多種船艏與基礎碰撞的工況，并根據計算結果總結規律，得到分析船與風電機組基礎碰撞的一般規律。

　　(一)約束條件

　　對風電機組基礎鋼管樁底部位置進行全約束;為保證船艏運動方向，約束船艏沿豎直方向的自由度。模型約束條件如圖4 所示。