隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，陸上可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越少，而海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，長(zhǎng)期在海上惡劣的環(huán)境下工作，不可避免會(huì)遇到各種碰撞問(wèn)題。例如，供應(yīng)船與基礎(chǔ)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)墜物到基礎(chǔ)平臺(tái)和浮冰對(duì)基礎(chǔ)的撞擊等。這些意外事故經(jīng)常使基礎(chǔ)發(fā)生整體彎曲或局部屈曲，結(jié)構(gòu)承載能力降低，直接影響到基礎(chǔ)的安全性和耐久性，甚至可能引起風(fēng)電機(jī)組倒塌等災(zāi)難性后果。
根據(jù)Tebbett《最近五年鋼制平臺(tái)的修理經(jīng)驗(yàn)》中對(duì)世界上100 起需要修理的海洋結(jié)構(gòu)物損傷原因進(jìn)行分析得到結(jié)果，約25% 的海洋結(jié)構(gòu)物損傷是由于碰撞引起的。根據(jù)英國(guó)HSE 機(jī)構(gòu)對(duì)海洋平臺(tái)的損傷調(diào)查，在海洋平臺(tái)發(fā)生損傷的原因調(diào)查中船舶碰撞占11.2%，是主要原因之一。根據(jù)DNV 海洋工業(yè)報(bào)告，在挪威北海海域從2001 年到2011 年十年間共發(fā)生船舶與海洋平臺(tái)碰撞事故26 起，其中6 起造成嚴(yán)重后果。
海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)與海洋平臺(tái)有著類(lèi)似的結(jié)構(gòu)形式，但是由于海上風(fēng)電機(jī)組處于剛剛起步階段，技術(shù)尚未成熟，對(duì)應(yīng)的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)碰撞方面的研究還不夠充分，也很少有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可供參考。本文對(duì)海上基礎(chǔ)與船舶碰撞的研究借鑒了海洋平臺(tái)碰撞方面的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)。基于ANSYS/LS - DYNA 軟件，通過(guò)結(jié)構(gòu)模型化及數(shù)值仿真計(jì)算，獲得并分析了船橋碰撞力、能量轉(zhuǎn)換、以及風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)的一般規(guī)律和特點(diǎn)，從而為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、維護(hù)、防撞措施等提供理論上的支持。
船舶與海洋平臺(tái)基礎(chǔ)碰撞理論發(fā)展
早在20 世紀(jì)60 年代，Minorsky 在20 多個(gè)船舶與平臺(tái)碰撞事故或者實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析中，得到了撞擊船的動(dòng)能損失量與被撞平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷之間的線(xiàn)性關(guān)系，并以經(jīng)驗(yàn)公式的形式給出。Martin J.Petersen 的研究工作也同樣具有代表性，對(duì)二維情況下的碰撞運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析。20 世紀(jì)70 年代，McDermott 等人根據(jù)塑性靜力學(xué)的基本理論和方法對(duì)游輪與平臺(tái)結(jié)構(gòu)的低能碰撞問(wèn)題作了研究。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，Reckling、Minorsky 和Yang 等人相繼采用有限元技術(shù)對(duì)船舶平臺(tái)碰撞問(wèn)題進(jìn)行了研究分析。20 世紀(jì)90 年代，Kawamoto 及Che 和Jang利用顯示非線(xiàn)性分析程序MSC/DYTRAN 對(duì)超大型油輪在碰撞中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，采用顯示有限元法(LSDYNA3D)分析撞擊船的船艏和被撞平臺(tái)的結(jié)構(gòu)損傷變形，且計(jì)算中假設(shè)為剛體碰撞。
總之，隨著對(duì)碰撞問(wèn)題的深入研究和有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在船舶與海洋平臺(tái)碰撞問(wèn)題上的數(shù)值模擬手段越來(lái)越多，結(jié)果也越來(lái)越可靠。通過(guò)對(duì)以往案例數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和理論推導(dǎo)，分析結(jié)果在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)與維護(hù)方面也起到了越來(lái)越重要的作用。
船舶與海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)碰撞模擬方法
一、常用分析方法
由于碰撞區(qū)的變形損傷程度與船舶安全性以及事故后果有直接關(guān)系，因此需要充分重視內(nèi)部碰撞力學(xué)的研究。目前研究?jī)?nèi)部碰撞力學(xué)的方法主要有：統(tǒng)計(jì)分析法、試驗(yàn)法、簡(jiǎn)化分析法和有限元法。
(一)統(tǒng)計(jì)分析法
統(tǒng)計(jì)分析法是將船舶的碰撞問(wèn)題分為相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)損傷和動(dòng)能損失，研究他們之間的關(guān)系，采用完全非線(xiàn)性理論求解碰撞過(guò)程中的動(dòng)能損失，用附連水質(zhì)量來(lái)代替碰撞中水的影響。最后用統(tǒng)計(jì)分析方法將損傷體積和動(dòng)能損失聯(lián)系起來(lái)，建立線(xiàn)性關(guān)系。這種依據(jù)大量相似船型的船舶碰撞數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用很方便，但從成本上考慮顯然是不太現(xiàn)實(shí)。另外，這種方法進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化，精度也不是很高，因此現(xiàn)在應(yīng)用很少。
(二)試驗(yàn)法
對(duì)于比較復(fù)雜的無(wú)法用理論模型來(lái)表達(dá)的問(wèn)題，往往可以通過(guò)試驗(yàn)獲得比較可靠的結(jié)論。在船舶與海洋平臺(tái)碰撞問(wèn)題上，荷蘭、丹麥、德國(guó)、日本等國(guó)的學(xué)者都進(jìn)行了很多模擬碰撞試驗(yàn)，并總結(jié)出了很多具有參考價(jià)值的結(jié)論。
但眾所周知，試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力，且海洋結(jié)構(gòu)物碰撞問(wèn)題本身的強(qiáng)非線(xiàn)性特征和碰撞條件的多樣性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果在實(shí)踐中的應(yīng)用產(chǎn)生很大的局限性，加之海洋結(jié)構(gòu)物的建造非常昂貴，進(jìn)行此類(lèi)試驗(yàn)往往因耗資巨大而難以實(shí)施，因此這種方法實(shí)施起來(lái)難度很大。
(三)解析法
簡(jiǎn)化分析方法一般研究的是破壞過(guò)程的特點(diǎn)，借助理論公式加以分析計(jì)算，從而為設(shè)計(jì)者提供整體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算工具。這種方法主要基于塑性力學(xué)中的上限理論和一些重要假設(shè)來(lái)分析碰撞問(wèn)題。這些假設(shè)主要來(lái)自對(duì)碰撞事故和試驗(yàn)研究的觀察分析。但往往由于它將碰撞中的船舶做了大量簡(jiǎn)化處理，所以精度相對(duì)較低。
(四)有限元數(shù)值仿真法
數(shù)值仿真法是對(duì)船舶真實(shí)碰撞場(chǎng)景的虛擬再現(xiàn)，借助于一些有限元分析軟件，船舶碰撞過(guò)程中的各種物理量都可以作為結(jié)果輸出，可以真實(shí)的模擬碰撞現(xiàn)象，部分代替實(shí)船或者模型的碰撞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“虛擬碰撞”。因此有限元方法是結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)分析的強(qiáng)有力工具，也是研究船舶碰撞問(wèn)題最為有效的方法。
但是目前在工程應(yīng)用中，由于仿真模型的建立需要一定的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和處理技巧，模型的計(jì)算精度并非總是令人滿(mǎn)意，船舶碰撞非線(xiàn)性有限元法用于實(shí)際船舶結(jié)構(gòu)的碰撞分析還沒(méi)有完全成熟，數(shù)值仿真法的結(jié)果仍然需要試驗(yàn)或者其他研究者的計(jì)算結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)。
