SACS在海上風機基礎設計中的應用

SACS在海上風機基礎設計中的應用定義：風機塔筒以下基礎結構部分（包含樁基或系泊系統(tǒng)），通常與塔筒底部使用法蘭連接。作用：支撐塔筒、風電機組以及電纜管等附屬結構，保證整體結構的強度與穩(wěn)定性要求。重要性：由于海洋環(huán)境條件的復雜性，海上風機基礎約占整個風電場成本的20%-30%。

海上風機基礎介紹海上風機基礎類型海上風機基礎的類型主要由風電場址的水深、地質(zhì)等環(huán)境條件確定，經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性是最重要的考量因素。風機基礎類型可以分為固定式（重力式、單樁、多角架、導管架）和浮動式（Semi、TLP、Spar等）兩個大類。風機基礎現(xiàn)有以及未來發(fā)展趨勢海上風機基礎類型重力式基礎重力式基礎利用自身的重力抵抗上部結構傳至基礎的上拔力和傾覆力，適用于近海10米以下的水深。重力式基礎無須打樁，可以整體運輸放置。缺點是對海床有較高要求，同時鋼筋混凝土結構的防腐蝕性能也不理想，后期需較大維修成本。海上風機基礎類型單樁基礎單樁基礎一般適用于0-15m水深范圍。單樁基礎由一根直徑4至8m的鋼管樁構成，鋼樁打入海床下面一定深度，具體由地質(zhì)條件以及風機載荷確定。單樁基礎的優(yōu)點是不需要對海床不需要特殊處理，抗沖刷能力相對良好。缺點是需要大型打樁鉆孔設備，抗風暴能力不強。海上風機基礎類型三腳架基礎三腳架或多角架基礎是由單樁結構演變而來的，這種結構形式增加了周向強度，因此較為穩(wěn)定，適用于10到30米水深范圍。三腳架基礎的優(yōu)點是結構承載力較強，適合比較惡劣的海況條件。缺點是整體結構相對復雜，建造成本相對較高。海上風機基礎類型導管架基礎導管架基礎是一種由海洋石油行業(yè)較為成熟的基礎形式，適用于15米至50米以至水深更深的海域。導管架基礎的優(yōu)點是重量輕，結構穩(wěn)定性以及冗余度好，而且技術也相對成熟。適合比較惡劣的海況條件。缺點是整體結構相對復雜，前期設計分析以及建造安裝技術相對較高。海上風機基礎類型浮動式基礎浮動式基礎是一種由海洋石油行業(yè)演變而來的深水結構形式，主要包括張力腿、半潛和SPAR等結構形式，其應用水深從幾百米至數(shù)千米。浮動式風機基礎技術目前尚處于可行性研究階段，一般認為在水深大于100米時相對于固定式基礎有成本優(yōu)勢，但是諸多的技術難題限制了這種基礎形式的發(fā)展。海上風機基礎設計結構總體確定結構模擬荷載模擬結構在位設計分析建造安裝階段設計分析附屬構件設計分析防腐設計海上風機基礎結構&載荷模擬WindloadonTurbine（包含控制策略）WindloadonStructureWave&CurrentLoadonStructureDynamicResponseofStructure風機整機動力學載荷

非耦合設計整機動力學軟件計算輸出塔底極限載荷&疲勞載荷

基礎結構環(huán)境荷載由SACS計算作用在基礎上的波浪、海流載荷耦合設計

整機動力學軟件輸出結構時域載荷結果文件，SACS進行求解計算得到SACSCSF文件GHBladedGLGarradHassan,UKFAST

NationalRenewableEnergyLaboratory(NREL),USAFlex5

Stig?yeatDepartmentofFluidMechanicsatTheTechnicalUniversityof Denmark.

基礎結構在位設計工況

靜態(tài)極端風暴載荷工況

桿件強度、節(jié)點沖剪、樁強度以及樁基抗拉抗拔性能地震工況

桿件單元、節(jié)點強度，樁基校核疲勞設計工況

管節(jié)點疲勞壽命整機模態(tài)

整機第一階頻率要求其他工況

冰載荷、渦激振動等

極端載荷工況（非耦合）結構強度與樁基校核，載荷由最大環(huán)境載荷與最大風機載荷進行組合：通?？紤]環(huán)境載荷由八個方向極端波浪、流等。最大風機載荷，通常由Fxmax、Fymax、Mxmax以及Mymax等不同方向最大載荷組成。非線性樁基設計分析土壤屬性定義:APIP-Y/T-ZSoilUserdefinedP-Y/T-ZSoilAPIAdhesionSoilUserDefinedAdhesionSoilPileMudline單元強度規(guī)范校核POST:節(jié)點連接設計JOINTCAN:交互式重新設計Redesignby:SectionPropertyYieldStressView:MomentDiagramUnityCheckDiagramPlateStressContoursPOSTVUE:結構動力性能風機結構模態(tài)性能要求模態(tài)與基礎結構質(zhì)量剛度相關設計要求結構自振頻率避開風電機組葉輪轉(zhuǎn)動頻率的1P和3P。地震工況設計動力響應模塊:

譜分析法APIresponsespectrabuiltinUserdefinedspectraModalcombinationSRSSorCQCGenerateEquivalentStaticLoads時域分析方法VariableTimestepIntegrationNonlinearfluiddampingLinear,quadraticorcubicinterpolationbetweentimehistoryinputvalues節(jié)點疲勞設計S-N:API,HSE,AWS,NORSOK,ISO,USERDEFINEDSCF:Efthymiou,KwangandWordsworth,SmedlyandFisher,Marshal,DNVSACS疲勞設計:

疲勞分析方法譜疲勞

PiersonMoiskowitzOchi-HubbleJONSWAPUserDefined時域疲勞確定性疲勞風機基礎結構疲勞載荷風機機械載荷疲勞波浪載荷疲勞SACS針對風機基礎的三時程疲勞：

交互式疲勞設計分析INTERACTIVEFATIGUE:

Changefatigueparameterson-the-fly(SCF,S-N,geometry)GenerateReportsandPlotsInteractivelyAutoredesign基礎結構施工安裝工況

吊裝分析工況

吊裝過程結構強度、吊繩力以及吊點設計拖航分析工況

拖航船舶穩(wěn)性、拖航過程中基礎結構強度下水扶正工況

滑移下水、吊裝下水其他工況

打樁分析、坐底穩(wěn)性分析

裝船分析AnalyzeJacketforlossofsupportasitsbeingloadedoutandtransferredontoabarge.

StaticAnalysiswithNon-LinearGapElements(CompressionOnlyElements)拖航分析Step1JacketskiddedontobargeStep2Jacketsecuredwithtie-downs(tie-downscontainnoload)拖航分析Step3TOW,SEASTATEMODULES:TowAnalysis(generateinertialoads)COMBINEMODULE:combinecommonsolutionfiles(static+dynamic)Designjackettoresistinertialloads+selfweightDesigntie-downsdesigntoresistinertialloadForlongdistancetransportationaccountfortowfatigue吊裝與扶正分析DesignJacketfordifferentliftconditionsFEMGV:Designliftpadeyesandliftnode滑移下水分析LAUNCHMODULE:Jacket&BargeMotionsHydrodynamicForcesUserdefineddragareasOutputunbalancedforcesatanytimestep(PostLaunchAnalysisusinglaunchrestartfile)漂浮與扶正分析FLOATATION:PerformsStabilityandUpendingAnalysisUserdefinedmemberfloodingatanytimestepDualHookCapabilitiesBuoyancyTanks,Valves,UserDefinedBuoyancyGenerateloadsatanytimestep附屬構件設計以及防腐設計

附屬構件設計

靠船件、爬梯、防沉板、電纜護管等結構設計防腐設計

防腐涂層、陽極塊設計，飛濺區(qū)設計

LowEnergy(OperationalImpact)

Jacketbracingdesignedtosurviveoperationalimpact(partialyieldingatpointofimpact).

HighEnergy(AccidentalImpact)

Jacketlegsdesignedtosurviveaccidentalimpact.Jacketbracingallowedtofail–Structuredesignedtosurvivelossofbracemember.FaceandlegJointstosurviveaccidentalimpactloading.(partialyieldingallowed).ImpactDesignCriterion:船撞分析

DynamicResponseResults船撞分析shipstructureSACSExecutive–Bladed/FASTInterfaceforOffshoreWindTurbineDesignModelinginSACSAnalysis-GHBladedSACSPostProcessingWindTurbineAnalysisSACS–GHBladedInterface:FullyCoupledAnalysisModelinginSACSPrecedeFullyCoupledTimeHistoryAnalysisFatigue/MemberCheck/JointDesigninSACSFullyAutomatedGHBladedProvidesaSACSinputfilecontaining:ModeldescriptionNumberoftotaltimehistorysimulations(approx:600forfatigue,3000forULS)LocationoffoldercontainingtimesimulationresultsProbabilityofoccurrenceofeachtimehistorysimulationFatiguedesignlifeSACSInputPartialFatigueinputfilecontainingfatigueoptions/overrides.InterfaceAutomaticallyGeneratesallFatigueLoadCasesandaccumulatesdamageFullMulti-CoreProcessingForTimeEfficientAnalysis.SACS–GHBladedFatigueInterfaceModelinginSACS/FASTAnalysis-FAST/SACSSACSPostProcessingWindTurbineAna