拖曳锚在浮式风机中的设计计算方法_康思伟.pdf
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1、投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023,23(5):02109-06科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-12;修订日期:2022-11-10基金项目:国家自然科学基金(51890911)第一作者:康思伟(1985),男,汉族,四川遂宁人,硕士,高级工程师。研究方向:海上风电结构以及系泊系统的设计计算。E-mail:kang2cnooc com cn。引用格式:康思伟,栾辰宇,张雨蓉,等 拖曳锚在浮式风机中的设计计算方法J 科学技术与
2、工程,2023,23(5):2109-2114Kang Siwei,Luan Chenyu,Zhang Yurong,et al Design methods of drag anchor for floating wind turbine J Science Technology and Engi-neering,2023,23(5):2109-2114拖曳锚在浮式风机中的设计计算方法康思伟1,栾辰宇1,张雨蓉2,李飒2(1 中海油融风能源有限公司,上海 200050;2 天津大学建工学院,天津 300072)摘要海上浮式风电具有广阔的发展前景,而高昂的建造成本是阻碍其发展的关键因素。拖曳锚
3、因其制造和安装成本低廉,成为浮式风电锚固基础的一种选择。以黏土场地为背景,通过采用经验图表法、理论计算方法以及有限元方法对黏土场地拖曳锚的贯入深度以及承载力进行了计算。结果表明,厂家提供的经验方法的计算精度较低,适用于拖曳锚的初始选型;理论计算方法对土体的抗剪强度较为敏感;有限元分析显示,拖曳锚的埋深是控制拖曳锚承载力的关键因素;根据上述计算结果提出了浮式风机拖曳锚设计计算的流程。计算结果显示,在进行拖曳锚设计计算时,需要根据流程并谨慎选择土体的抗剪强度,以保证工程的安全可靠。关键词浮式风机;拖曳锚;黏土;承载力;贯入深度中图法分类号TU476;文献标志码A!Design Methods of
4、 Drag Anchor for Floating Wind TurbineKANG Si-wei1,LUAN Chen-yu1,ZHANG Yu-rong2,LI Sa2(1 CNOOC ongfeng Energy Co,Ltd,Shanghai 200050,China;2 Civil Engineering Department,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract Offshore floating wind power has developed rapidly in recent years,and the high c
5、onstruction cost is the key factor hinde-ring its development Drag embedded anchor has become a choice of floating wind power anchor foundation because of its low manufactur-ing and installation cost The penetration depth and bearing capacity of drag anchors in clay were calculated by using empirica
6、l chartmethod,theoretical calculation method and finite element method The results show that the empirical method provided by the manufac-turer has low calculation accuracy and is suitable for the initial selection of drag anchor The results of theoretical calculation method issensitive to the soil
7、parameters The finite element analysis shows that the penetration depth of the drag anchor is the key factor to controlthe bearing capacity According to the above calculation results,the design process of the drag anchor was proposed It should be notedthat the calculation parameters need to be caref
8、ully selected according to the process to ensure the safety and reliability of the project Keywords floating wind turbine;drag anchor;clay;bearing capacity;penetration depth风能作为一种可再生的能源,其开发和利用拥有广阔的潜力和前景1,其锚固基础的设计计算也越来越受到大家的关注2。海上风力发电风机基础形式大致可以分为两大类:固定式基础和漂浮式基础;固定式海上风机基础主要适用于近海岸 0 60 m 的水深海域,而漂浮式海上风机
9、基础主要适用100 m 以上水深海域,甚至更深的海域。截至 2020年,已经建成的浮式风机场地 20 余处,其中绝大部分为示范项目,用于商用的不超过 3 处。其中的WindFloat Atlantic 采用了拖曳锚作为浮式风机永久性锚固基础3。拖曳锚是用系泊缆水平拖曳,将锚爪插入海底。锚爪是一个承载板,提供锚的大部分承载能力。锚杆控制系泊张力的作用线作用在锚爪的角度和位置。一般而言,拖曳锚由于安装方便,同时也易于回收,因此是一种非常具有吸引力的锚固基础的选择。拖曳锚的一个潜在缺点是无法实现精确定位。垂直定位的不确定性转化为承载能力的不确定性,此外,拖曳锚在土体中形态的不确定性也影响到其承载力的
10、准确评估,它们传统上主要用于临时系泊,而不是永久设施。近年来拖曳锚已从传统的船舶锚发展为设计复杂可用于半永久系泊系统的高承载力锚。目前用于计算拖曳锚承载力的方法主要有 3种,第一种是经验法,经验法是根据工程或试验中投稿网址:www stae com cn实测数据总结得到的经验公式与参考设计表,用于计算拖曳埋置锚的最大拖曳距离与承载力。目前经验法相关数据主要由锚制造商提供 4。第二种是理论计算方法,经验相关性在预测锚性能方面无疑具有很大的实用价值。然而,纯经验方法有固有的局限性。基于均匀厚度矩形板的理想化板锚的简化分析是目前常用的理论分析方法。由于拖曳锚的承载力与其埋深具有直接关系,因此在承载力
11、的计算过程中,有必要评价拖曳锚的嵌入过程。在分析过程中,结合锚链的形态 5,采用极限平衡或极限分析方法通过位移增量的计算确定拖曳锚的贯入过程,并进而确定拖曳锚的承载力 6-7。第三种方法是有限元法,近年来随着数值模拟技术的飞速发展,大变形有限元如耦合欧拉-拉格朗日(coupled Euler Lagrange,CEL)法被用来计算拖曳锚的贯入 8。由于拖曳锚的精确定位是拖曳锚研究中的关键问题,毋晓妮等9 研究了黏土中浅埋拖曳锚的运动性能,并指出在埋深较浅的情况下,埋深比和方位角对土体中的屈服面均有影响。张春会等10 基于增量迭代法提出了预测拖曳锚嵌入运动轨迹和系泊点拉力的模型。尽管大量学者对这
12、一问题展开了很多研究,到目前为止,并没有一种方法可以解决拖曳锚精确定位的问题。而在这些方法中,对于黏土中的拖曳锚,ONeill 等11 提出的采用破坏包络线预测拖曳锚安装行为的方法被广泛使用。在此方法中,锚链方程用于计算拖曳锚所受力的大小和角度;锚杆的阻力考虑锚杆上的法向力和滑动力。使用锚爪的破坏包络线确定锚爪上的荷载。通过确保拖曳锚(包括锚爪、锚杆和锚链上的力)在每个推进步骤处于平衡状态,预测锚定轨迹。尽管目前有关拖曳锚问题的分析研究仍然存在很多问题,但这无法阻止拖曳锚在实际工程中的广泛应用。考虑到拖曳锚在浮式风电中具有广阔的应用前景,现以 Hywind Scoland 风场的设计计算条件为
13、基础,采用设计图表法、理论计算法以及有限元方法对拖曳锚的承载力进行计算,并根据计算结果提出拖曳锚作为浮式风电锚固基础的设计计算流程,对其应用于浮式风电中需要注意的问题进行评价。1拖曳锚的计算方法1.1设计图表法以 Vryhof 公司提供的拖曳锚设计方程为例说明利用设计图表进行拖曳锚承载力的计算的具体方法,如表 1 所示。表 1Vryhof 公司拖曳锚的设计方程Table 1Design equation for drag embeddedanchor of Vryhof companyVryhof 锚土质条件UHC=aWbab非常软的黏土161 23092Stevin MK3中等黏土229 1
14、9092砂土和硬黏土324 42090非常软的黏土392 28092Stevpris MK5中等黏土552 53092砂土和硬黏土686 49093非常软的黏土509 96093Stevpris MK6中等黏土701 49093砂土和硬黏土904 21092注:UHC 为抓力锚极限承载力,kN;W 为锚重,1 50 t;a、b 为系数。1.2理论计算法采用 Neubecker 等5 提出的方法计算系泊缆的张力。将拖曳锚通简化成如图 1 的形式。即假设锚爪为一个长度为 Lf和厚度为 tf的简单条形机构,拖曳锚相关尺寸与位置示意图如图 1 所示。长度为 Ls的锚杆以杆-爪角 fs刚性连接。在锚图
15、1拖曳锚特征位置和受力分析示意图Fig.1Characteristic position and loading analysis ofdrag embedded anchor0112科学技术与工程Science Technology and Engineering2023,23(5)投稿网址:www stae com cn贯入过程的某一时刻,锚爪和锚杆分别对应角度 a和 f。此处分析是针对极限状态进行的,此时施加的张力 Ta对应锚的极限载荷能力。拖曳锚位置确定利用了几个特征点:系泊点位置(系泊张力施加位置)a,锚杆受力点 b,锚爪中心点 c,锚杆与锚爪连接点 d,拖曳锚重心 e。锚杆受力点与
16、锚杆锚爪连接点的距离 Lb,锚爪相对于连接点d 后侧长度 Lj。重心相对于锚爪中心点 c 的垂向与水平向距离设置为 en与 et。拖曳锚的受力,除了系泊点处系泊张力 Ta,还包括锚杆法向承载力 Fns与切向力 Fts,锚自身重力W,锚爪自身所受的切向力 H,竖向力 V 与转矩 M(以中心点 e 为参考点)。其中,锚杆法向力 Fns可表示为土单位承载力乘法向受力面积,锚杆切向力Fts可表示为单位切向力乘锚杆表面积。考虑力与转矩的平衡,锚爪中心点 c 上的法向力 V、切向力 H和力矩 M 可以定义为V=Tasin(+f)Wcosf+FnscosfsFtssinfs(1)H=Tacos(+f)+Ws
17、inf FnssinfsFtscosfs(2)M=Ta Lssin(+f fs)(Lf/2 Lj)sin(+f)+Fts(Lf/2 Lj)sinfs+Fns Lb(Lf/2 Lj)cosfsW(etcosf+ensinf)(3)锚杆受力点与锚杆与锚爪连接点的距离可表示为Lb=(1/2+Sur/6)Ls/(1+Sur/2)(4)式(4)中:Sur=kLssin(fs f)/Su0,考虑锚爪上力的相互作用,采用破坏包络面的表达式为f=VV()maxq+MM()max+HH()maxn1p 1=0(5)式(5)中:Vmax、Mmax和 Hmax定义拖曳锚的法向、切向和弯矩的单轴承载力(代表独立作用时
18、的最大载荷);指数 m、n、p 和 q 定义破坏包络表面的形状。根据上述计算方法,采用图2 所示的计算流程编制程序,进行拖曳锚的贯入深度和承载力计算。图 2黏土中拖曳锚计算流程图Fig.2Calculation flow chart of drag embedded anchor in clay2工程背景苏格兰 Hywind 是世界上第一个商用浮式风电场。该浮式风电场坐落于苏格兰北部的海洋中,风场所在地的水深为95 120 m,平均风速10.1 m/s,平均波高1.8 m。该风机的基本情况如表2 所示 12。该风场地层主要由两类中等强度黏土组成,黏土参数13 如下。一种黏土为均质黏土,平均土强
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