潮间带拼装式风机吊装平台的水动力响应分析

胡 杰 　 李志刚 　 郑 峰 　 黄 坚

(1.解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京　210007;　2.江苏省科学技术厅，江苏 南京　210007)



潮间带拼装式风机吊装平台的水动力响应分析

胡 杰1李志刚1郑 峰1黄 坚2

(1.解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京210007;2.江苏省科学技术厅，江苏 南京210007)

为研究风机吊装平台在潮间带环境下的运动特性，建立了三维简化模型，使用AQWA软件在频域范围内进行了数值模拟，研究了水动力系数的变化情况，并通过吊装平台的时域计算模型，分析了其在最大波高不同周期下的运动响应，得出了一些有价值的结论。

潮间带，吊装平台，波浪力

1　概述

我国潮间带风能资源比较丰富，据初步估算总装机容量在3 000万kW以上，主要分布于江苏、上海、山东、浙江等地。潮间带周期性被海水浸泡，水深不满足风机安装船的吃水标准，为此专门设计了用于潮间带施工的拼装式浮游风机吊装平台[1]。作业式吊装平台不仅受到波浪作用，还受到上部机构运动的影响。入射波作用和上部机构作业可以近似的看作是两个相互独立的事件，从而作为两种情况分别计算它们的运动响应，然后进行叠加[2]。本文只考虑波浪对吊装平台的影响，仅有入射波作用的情形可以按单体计算。国内外学者对这一问题进行了大量研究。Byeong W.Park[3]应用Boussinsq方程对浅水系泊类船舶进行了动力响应分析。H.B.Bingham[4]用一种新式计算方法，关于在有限水域中如何模拟被约束浮体在波浪诱导下的运动响应研究。Mangala M.Gadagi等人[5]应用了有限差分法对于不等的张紧力作用时张力腿平台的运动响应情况进行了研究。AQWA是计算三维流体动力学的重要工具，专门用于海上浮式结构物动力性能的评估及分析。

本文先采用Aqwa-line模块，计算出吊装平台的水动力系数和一阶波浪力，然后采用Aqwa-naut模块计算出在最大波高不同周期下的时域运动响应，为下一步考虑上部机构作业对稳定吊装影响奠定基础。

2　风机吊装平台模型的建立

除了海上浮式机场等超大型和特别细长的舰船外，一般浮体在波浪或其他荷载作用下的刚体位移远大于其弹性变形引起的位移，刚体摇荡频率远小于弹性振动频率，风机吊装平台的动力分析中，可以把浮基部分看作刚体对待。风机吊装平台的浮基部分由12 m×3 m×2.4 m的浮箱拼组而成，共计56个浮箱。在实际吊装中最重及最高吊物为机舱，总重为95.6 t，起吊高度为88 m。徐工650 t履带吊采用60 m重型主臂+42 m塔式副臂工况，工作半径为22 m，额定起重量为111 t，完全满足吊装要求。风电场场址位于沿海滩涂区，地势基本平坦[6]，水深取定常水深，吊装平台的基本尺寸及参数见表1。

表1　吊装平台基本尺寸及参数

根据吊装平台的尺寸，在ANSYS中进行建模并网格划分见图1。

建模时网格划分需要解决主要问题有：

3　锚链线与吊装平台的时域耦合分析

吊装平台进行海面浮吊作业时，其运动受到波浪的影响，锚链线限制船体的各方向的运动，锚链线和吊装平台是一个耦合系统。该耦合系统时域运动方程为：

其中，M,μ分别为浮体的广义质量阵和附加质量阵；λ(t-τ)为延迟函数阵；c为浮体的静水恢复力系数阵；Fw(t)为波浪力，包括一阶波浪力和二阶波浪力；Fm(t)为锚泊力。

3.1锚链线的设定

为了确保风机吊装平台作业的安全，需设置一定数量的锚链线以限制其大幅漂移，因为吊装平台工作在潮间带，属于浅水域，所以锚链选用纯锚链，采用交叉系泊的方式[8],锚链孔位于平台上表面的4个顶点,连接4根锚链且对称布置，材料采用无横档锚链，坐标原点取在吊装平台两对称面交线的水线处。风机吊装平台时域锚链线的计算模型如图2所示。锚链线的参数如表2所示。

表2　锚链线的参数

水深/m预张力/N长度/m直径/mm湿重/kg·m-1断裂刚度/N轴向刚度/N4.002.00E470.003831.625.81E72.30E8

3.2风机吊装平台在最大作业波高下的运动响应研究

当浪高达到一定高度时，风机吊装平台已经不可以工作了，否则将发生危险，由实测资料及业主要求，最大作业波高为1.5 m。以下针对波高1.5 m下的运动响应进行研究，波浪周期为3.0 s，3.5 s，4.0 s，4.5 s，5.0 s，5.5 s，6.0 s，6.5 s，7.0 s，7.5 s这10个波浪周期，每组规则波均采用0°，30°，45°，60°及90°入射角进行计算，共计50种工况。图3～图8为浮箱与锚链线连接后各个方向运动位移与波浪周期关系的曲线。

数值结果分析：

1)由图3可以看出，当波浪入射角为90°，吊装平台的纵荡位移几乎为0，这与实际情况相符。当波浪周期小于6 s时，0°入射角下纵荡位移最大；当波浪周期大于6 s时，30°斜浪入射角下纵荡位移突然增大且随周期的增大呈增大趋势，同时观察30°浪向角下的锚链力，6 s后由于纵荡位移的突然增大引起了锚链力的急剧上升，此时最大值已经达到2.5E6，已经小于API规范中规定的锚链的安全系数1.67，在实际工程中应当避免6 s以上的30°斜浪或者增加锚链长度和初始预张力，以减小纵荡位移和锚链力。由图4可以看出，横荡位移与纵荡位移相似，这与吊装平台的对称性相关。

2)由图5可见，垂荡运动随周期的增大而呈增大趋势，当波浪90°入射时，垂荡位移最大，垂荡位移与纵荡和横荡相比要小很多。由图6可见，横摇和纵摇值随周期的增大整体呈增大趋势。

3)由图6可见，波浪90°入射时，横摇角较大。在横浪入射时，横摇随着周期的增大呈增大的趋势，且在波浪周期为6 s以上时，这种趋势更明显。纵摇值随着波浪周期增大而呈增大趋势，且波浪0°入射时，纵摇角较大，横浪几乎不产生纵摇。总体而言，横摇值与纵摇值几乎差不多，这与吊装平台的长宽比几乎相等有关。

4)根据图8发现，入射波浪方向为30°～60°艏摇角较大，当30°入射时，艏摇的运动幅值最大。当波浪沿着吊装平台宽度和长度方向入射时，几乎不产生艏摇，这是因为0°和90°入射角下，吊装平台几乎不会产生回转力矩。

4　结语

通过对潮间带拼装式吊装平台的动力响应进行数值模拟分析，得出了如下结论，为接下来展开吊物系统对吊装平台的影响提供参考。

1)吊装平台的运动响应与波浪周期变化及入射波方向有着不可分割的关系。当波浪周期大于6 s时，30°斜浪入射角下纵荡和横荡位移突然增大，工程实际中应当避免此种情况发生。

2)垂荡，横摇，纵摇都随着波浪周期的增大而呈增大趋势。为了保证较小的横摇和横荡，应避免90°浪向角作用在浮箱上，尤其当波浪周期较大时。当波浪0°～ 30°作用时，纵摇角较大。总体而言，横摇值和纵摇值几乎差不多，这与吊装平台的长宽比几乎相等有关。

[1]李志刚,胡杰,郑峰.大型拼装式海岸滩涂风机吊装平台总体方案设计[J].国防交通工程与技术,2015(7)：24-26.

[2]李越.浮基多体系统自激运动响应的时域分析[D].南京：中国人民解放军理工大学，2003.

[3]Byeong W.Park.The ASME 28th international conference on ocean,offshore and arctic engineering[Z].2009.

[4]H.B.Bingham.A hybrid Boussinesq-panel method for predicting the motion of a moored ship[J].Coastal Engineering,2000(40)：21-38.

[5]MM Gadagi,H Benaroya.Dynamic response of an axially loaded tendon of a tension legplatform[J].Journal of Sound and Vibration,2006(4)：38-58.

[6]中南勘探设计院.中水电如东海上风电场(潮间带)100MW示范项目可行性研究报告[R].2011.

[7]刘应中，缪国平，李宜乐，等.系泊系统动力分析的时域方法[J].海洋工程，2008,26(1)：7-12.

[8]王树青，梁丙臣.海洋工程波浪力学[M].青岛：中国海洋大学出版社,2013.

[9]陈徐均.系泊浮体布链方式优劣的理论分析[J].河海大学学报，2001(7):85-87.

The analysis to the hydrodynamic response of the assembling wind turbine lifting platform on intertidal zone

Hu Jie1Li Zhigang1Zheng Feng1Huang Jian2

(1.CollegeofFieldEngineering,PLAUniv.ofSci. &Tech,Nanjing210007,China; 2.JiangsuScienceandTechnologyDepartment,Nanjing210007,China)

To analyze the hydrodynamic response characteristics of wind turbine lifting platform on intertidal zone, a three dimensional hydrodynamic simple model is established employing the AQWA software, the hydrodynamic coefficients are numerically simulated in the frequency domain. Then, the time domain model is built based on the same software, motion responses are analyzed in the operating sea condition considering various periods with maximum wave heights, which provided the reference for steady lifting， draw some valuable conclusions.

intertidal zone, lifting platform, wave forces

1009-6825(2016)08-0051-03

2016-01-09

胡杰(1988- )，男，在读硕士

P751

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