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自升式起重船基础模型对海上风力机叶片安装过程中运动响应的影响
Yuna Zhao，Zhengshun Cheng，Zhen Gao，Torgeir Moan
挪威特隆赫姆，挪威科学技术大学（NTNU），海洋技术系，海洋工程结构研究中心
【摘要】如今，自升式起重船在海上风力涡轮机安装过程中的使用需求越来越大。因为作业过程中需要频繁重新定位，海上起重船腿通常只深入到浅层土壤中。所以，对土壤-结构相互作用进行恰当建模可以用来评估运动响应，尤其是在起重机端部提升较大高度的情况。起重机端部作业高度过高会影响被吊部件的运动响应，进一步影响操作的安全性和效率。本文通过完全耦合的方法研究典型自升式起重船基础模型对风力机叶片安装过程中运动响应的影响。这个方法考虑了叶片和船体的风荷载、船腿的波浪荷载、土壤-结构相互作用、船腿和起重机的弹性结构以及机械连接线。不同种类土壤的系统运动特性不同，分析土壤-船腿的三种模型和两种土壤类型的情况，研究这些基本模型对系统运动响应的重要影响。与线性弹簧和阻尼器组合模型相比，简化的铰接基础和固定基础导致自升式起重船对叶片安装过程中的运动响应程度分别有升高和降低的影响。为确保海上作业安全效率性，在使用自升式起重船进行海上起重机作业数值研究时，应该仔细研究场地的土壤特性。
【关键词】起重机 自升式 海上风力机 运动响应 土壤特性
1.引言
自升式起重船在浅水区域安装海上风力涡轮机时被广泛使用。自升式起重船通常有一个船体，多个船腿（一般是4个）和一台起重机，船腿和船体通过提升系统连接。在海上风力涡轮机安装过程中，自升式起重船首先在港口搬运涡轮部件，驶向特定的海上风力发电场，到达后，使用千斤顶系统把船腿下沉到海底，把船体抬高到水面上。
图1.使用自升式起重船[2]安装海上风力涡轮机
之后如图1所示，起重机开始按顺序安装风力机部件。安装完其中一个涡轮机后，在提升系统降低船体和收回船腿之前，起重船会移动到下一个涡轮机位置[1]。
与海上油气行业使用的传统自升式平台相比，自升式起重船的数值模拟还需要考虑土壤-结构相互作用。迄今为止，已经有大量传统自升式平台土壤情况的研究，尤其是在恶劣条件下的极端响应分析。根据海上起重机的复杂程度，可将基础模型方法分为铰接基础[3]、固定基础[4]、线性弹簧模型[5]、非线性弹簧模型[6]和综合受力模型[7]。目前，一般传统自升式平台结构分析指南在极端风暴条件下会推荐使用固定基础[8，9]。
但是目前自升式起重船基础模型动力特性的研究还很有限。与传统自升式平台相比，自升式起重船作业的海况一般会温和很多，加上频繁重新定位的要求，它土壤层深入也比较浅。因此，起重船在工作海况下的土壤反作用力基本上是受弹性变形[10]控制的。所以，为了准确评价自升式起重船的运动响应，需要对土壤变形进行适当的建模。除此外，海上起重机作业对起重船的运动响应非常敏感，特别是在起重机端部提升较大高度时，在海上风力涡轮机叶片安装过程中，过度的起重机端部运动可能会导致导向销损坏。
目前，对于自升式起重船在海上起重机作业过程中的建模与分析，还没有公开的指导方法，研究也很少。Zhao[11]开发了一段完全耦合的SIMO-RIFLEX-Aero 代码来模拟自升式起重船近海单叶片安装使用的过程，其中涉及叶片空气动力学，船舶流体动力学，土壤-结构相互作用以及联轴器力学分析。他使用6自由度弹线性弹簧与阻尼器相结合的方法，建立涉及土壤阻尼效应的土壤阻力模型。并利用SIMO-RIFLEX-Aero代码，结合实际场地土壤特性，研究典型自升式起重船在不同风浪条件下安装风力机叶片的运动响应特性。研究发现，大型起重机端部运动响应是由起重机结构弹性和船腿上所受波浪载荷引起的船体运动造成的，起重机端部运动对起升构件运动响应有重要影响。但是文章没有研究基础模型对系统运动响应的影响。
本文研究了典型自升式起重船基础模型对海上风力机安装过程中运动响应的影响。提出了线性弹簧和阻尼器组合模型、铰接模型和固定模型三种基础模型，和密砂和硬粘土两种类型的土壤对线性弹簧组合阻尼器模型的影响。研究结果揭示了基础模型对典型自升式起重船对风力机系统运动响应的影响。
2.系统描述
目前装置系统由一个典型自升式起重船和有可用起重提升装置和线性卷扬机的DTU 10MW风力涡轮机叶片[12]组成，叶片将被安装在海拔119米的平台上。图2描绘了系统结构。起重机臂架沿船宽方向定位展开，叶片沿船舶长度方向定位展开。表1和表2分别总结了自升式起重船和叶片提升系统的主要参数。
（a）侧视图 （b）俯视图
图2.叶片安装系统及相应的坐标系说明。
表1.自升式起重船的主要参数值
|
参数 |
数值 |
|
长、宽、深[m] |
132、39、9 |
|
总高架荷载[t] |
16900 |
|
水深[m] |
39.1 |
|
总风面积Axn，Ayn[m2] |
5372、2119 |
|
中心风面积[m] |
[0 0 7.5] |
|
腿长，直径[m] |
92.4，4.5 |
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腿间距[m] |
68.3，30.6 |
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臂长[m] |
107.6 |
表2.叶片、轭、钩的主要参数
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参数 |
数值 |
|
叶片质量[t] |
41.67 |
|
叶片长度[m] |
86.37 |
|
钩质量[t] |
10 |
|
扼质量[t] |
47 |
|
牵引线臂长（相对于叶片齿形）[m] |
10 |
如图2所示，分析时定义了三个坐标系，包括全局坐标系O-XYZ、与船相关的坐标系Ov-XvYvZv和与叶片相关的坐标系Ob-XbYbZb。船和叶片的运动分别用Ov-XvYvZv和Ob-XbYbZb坐标系来表示。
海浪入射的角度theta;wv的是相对于X坐标系的方向，逆时针为正。
风吹入角theta;wd定义方向相同，但是数值不一定会相同。
3．研究方法
3.1结构模型
如图3所示，对现代自升平台进行合理假设，船体模型认为是刚体，船体-船腿连接部分也是刚性的，船腿模型认为是柔性梁构件。
图3. 安装系统的外力结构模型:船腿-土壤相互作用模型将在3.4节中讨论.
外部负载模型
叶片：气动载荷，包括风切变、风湍流和动态失速的影响
船体：具有等效风面积和风系数的风荷载
船腿：以莫里森公式计算淹没部分的动力载荷，并修正船腿沉在水中的情况
结构模型
叶片：刚体，6自由度
吊钩：吊索下端装置
吊杆线、起重线和吊索：杆件
吊车臂：带有圆形截面的梁单元，下端铰接
支座、支座和后撑：刚性（节点之间的主从连接）
船体：网体，6自由度
船腿连接：刚性
支架：带有环形截面的梁构件
在自升式起重船的台座式起重机安装过程中，将起重机臂架建模为柔性梁单元，起重机臂架下端铰接在起重机基座上，它的倾斜度由起重机臂架控制。因为起重机臂架的重力作用，吊臂上的吊索不会松开，所以用具有等效刚度和阻尼特性的杆单元来建模。起重机底座被认为刚性，因为它比起重机臂架和臂架导线要硬得多。
将叶片建模为刚体，在安装过程中发现影响很轻微，所以忽略结构弹性[13]。叶片通过提升装置和牵引线与船连接。吊索用杆件表示，因为总是受到叶片重力的张紧作用，采用双线弹簧[13]对非压缩型塔格线进行建模，并且在拖线上应用预紧力，避免松线。
3.2气动和风荷载
参照DNV指南DNVGL-RP-C104[8]，作用于自升式起重船体的风荷载，与波浪荷载作用于桥腿[11]相比，对船舶运动响应的影响较小。基于SIMO瞬时叶片的位置和速度，根据交叉流动原理在气动分析中计算叶片上的气动载荷。在每一步时间中，气动载荷被传输回SIMO，更新叶片运动响应[13]。
3.3波载荷
利用莫里森公式计算自升式平台水下船腿所受波浪载荷，并对其剖面通过瞬时积分进行拉伸和压缩波势分析 [14]，即
（1）
其中圆点表示时间导数；
p-水的质量密度；
Dext-船腿外径；
Aext、Aint-船腿外部和内部横截面积;
CA-质量系数;
CD-阻力系数；
u-未扰动波场的速度；
r-自升船腿的速度；
h-水深；
Ф-瞬时波仰角。
公式（1）说明了船腿沉入水中的影响。
3.4自升式船腿基础建模
本文研究了自升式船腿基础的三种不同模型以及基础性能对系统运动响应的影响。三种模型如图4所示，分别为铰接基础、固定基础和带阻尼器的线性弹簧基础。
（a）铰接基础
（b）固定基础
（c）带阻尼器的线性弹簧基础
图4.自升式船腿基础的不同模型
最后一个模型，使用线性弹性弹簧和阻尼器来等效模拟土壤变形，弹簧用来考虑工作地点特定的土壤特性，阻尼器用于考虑土壤的阻尼效应。土壤模型的参考点位于腿的下端，相应的土壤阻力可表示为：
（2）
其中Fs、Ks、Cs、Xsc分别为土壤阻力、土壤刚度、土壤阻尼、船腿下端运动的6自由度矢量，未考虑交叉耦合效应。Ks可以表示为
（3）
土壤的阻尼与土壤的刚度成正比。土壤刚度系数与土壤性质、桩身尺寸和桩身贯入深度有关。它们可以根据工作场地特定的土壤特性来获得，也可以根据常用的经验公式来计算。对于后者参数，土体刚度可由[9]推导出：
（4）
其中v为土壤的泊松比。Kdh、Kdv、Kdr是计算嵌入效应的深度因子[9]。扭转刚度可表示为：
（5）
kdq值与泊松比无关，主要取决于开钻的相对穿透深度[15]。线性弹簧与阻尼器组合的基础模型分析时考虑了两种不同类型的土。一种是致密砂土，其性质通过测量近海场地得到。另一种是坚硬的粘土，利用公式计算其土壤特性。（4~5）.表3总结了本研究中考虑的自升式船腿土壤基础模型。
表3.不同自升式船腿基础模型及考虑建模方法土壤类型的总
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