SACS在海上风机基础设计中的应用

SACS在海上风机基础设计中的应用定义：风机塔筒以下基础结构部分（包含桩基或系泊系统），通常与塔筒底部使用法兰连接。作用：支撑塔筒、风电机组以及电缆管等附属结构，保证整体结构的强度与稳定性要求。重要性：由于海洋环境条件的复杂性，海上风机基础约占整个风电场成本的20%-30%。

海上风机基础介绍海上风机基础类型海上风机基础的类型主要由风电场址的水深、地质等环境条件确定，经济性以及稳定性是最重要的考量因素。风机基础类型可以分为固定式（重力式、单桩、多角架、导管架）和浮动式（Semi、TLP、Spar等）两个大类。风机基础现有以及未来发展趋势海上风机基础类型重力式基础重力式基础利用自身的重力抵抗上部结构传至基础的上拔力和倾覆力，适用于近海10米以下的水深。重力式基础无须打桩，可以整体运输放置。缺点是对海床有较高要求，同时钢筋混凝土结构的防腐蚀性能也不理想，后期需较大维修成本。海上风机基础类型单桩基础单桩基础一般适用于0-15m水深范围。单桩基础由一根直径4至8m的钢管桩构成，钢桩打入海床下面一定深度，具体由地质条件以及风机载荷确定。单桩基础的优点是不需要对海床不需要特殊处理，抗冲刷能力相对良好。缺点是需要大型打桩钻孔设备，抗风暴能力不强。海上风机基础类型三脚架基础三脚架或多角架基础是由单桩结构演变而来的，这种结构形式增加了周向强度，因此较为稳定，适用于10到30米水深范围。三脚架基础的优点是结构承载力较强，适合比较恶劣的海况条件。缺点是整体结构相对复杂，建造成本相对较高。海上风机基础类型导管架基础导管架基础是一种由海洋石油行业较为成熟的基础形式，适用于15米至50米以至水深更深的海域。导管架基础的优点是重量轻，结构稳定性以及冗余度好，而且技术也相对成熟。适合比较恶劣的海况条件。缺点是整体结构相对复杂，前期设计分析以及建造安装技术相对较高。海上风机基础类型浮动式基础浮动式基础是一种由海洋石油行业演变而来的深水结构形式，主要包括张力腿、半潜和SPAR等结构形式，其应用水深从几百米至数千米。浮动式风机基础技术目前尚处于可行性研究阶段，一般认为在水深大于100米时相对于固定式基础有成本优势，但是诸多的技术难题限制了这种基础形式的发展。海上风机基础设计结构总体确定结构模拟荷载模拟结构在位设计分析建造安装阶段设计分析附属构件设计分析防腐设计海上风机基础结构&载荷模拟WindloadonTurbine（包含控制策略）WindloadonStructureWave&CurrentLoadonStructureDynamicResponseofStructure风机整机动力学载荷

非耦合设计整机动力学软件计算输出塔底极限载荷&疲劳载荷

基础结构环境荷载由SACS计算作用在基础上的波浪、海流载荷耦合设计

整机动力学软件输出结构时域载荷结果文件，SACS进行求解计算得到SACSCSF文件GHBladedGLGarradHassan,UKFAST

NationalRenewableEnergyLaboratory(NREL),USAFlex5

StigØyeatDepartmentofFluidMechanicsatTheTechnicalUniversityof Denmark.

基础结构在位设计工况

静态极端风暴载荷工况

杆件强度、节点冲剪、桩强度以及桩基抗拉抗拔性能地震工况

杆件单元、节点强度，桩基校核疲劳设计工况

管节点疲劳寿命整机模态

整机第一阶频率要求其他工况

冰载荷、涡激振动等

极端载荷工况（非耦合）结构强度与桩基校核，载荷由最大环境载荷与最大风机载荷进行组合：通常考虑环境载荷由八个方向极端波浪、流等。最大风机载荷，通常由Fxmax、Fymax、Mxmax以及Mymax等不同方向最大载荷组成。非线性桩基设计分析土壤属性定义:APIP-Y/T-ZSoilUserdefinedP-Y/T-ZSoilAPIAdhesionSoilUserDefinedAdhesionSoilPileMudline单元强度规范校核POST:节点连接设计JOINTCAN:交互式重新设计Redesignby:SectionPropertyYieldStressView:MomentDiagramUnityCheckDiagramPlateStressContoursPOSTVUE:结构动力性能风机结构模态性能要求模态与基础结构质量刚度相关设计要求结构自振频率避开风电机组叶轮转动频率的1P和3P。地震工况设计动力响应模块:

谱分析法APIresponsespectrabuiltinUserdefinedspectraModalcombinationSRSSorCQCGenerateEquivalentStaticLoads时域分析方法VariableTimestepIntegrationNonlinearfluiddampingLinear,quadraticorcubicinterpolationbetweentimehistoryinputvalues节点疲劳设计S-N:API,HSE,AWS,NORSOK,ISO,USERDEFINEDSCF:Efthymiou,KwangandWordsworth,SmedlyandFisher,Marshal,DNVSACS疲劳设计:

疲劳分析方法谱疲劳

PiersonMoiskowitzOchi-HubbleJONSWAPUserDefined时域疲劳确定性疲劳风机基础结构疲劳载荷风机机械载荷疲劳波浪载荷疲劳SACS针对风机基础的三时程疲劳：

交互式疲劳设计分析INTERACTIVEFATIGUE:

Changefatigueparameterson-the-fly(SCF,S-N,geometry)GenerateReportsandPlotsInteractivelyAutoredesign基础结构施工安装工况

吊装分析工况

吊装过程结构强度、吊绳力以及吊点设计拖航分析工况

拖航船舶稳性、拖航过程中基础结构强度下水扶正工况

滑移下水、吊装下水其他工况

打桩分析、坐底稳性分析

装船分析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吊装与扶正分析DesignJacketfordifferentliftconditionsFEMGV:Designliftpadeyesandliftnode滑移下水分析LAUNCHMODULE:Jacket&BargeMotionsHydrodynamicForcesUserdefineddragareasOutputunbalancedforcesatanytimestep(PostLaunchAnalysisusinglaunchrestartfile)漂浮与扶正分析FLOATATION:PerformsStabilityandUpendingAnalysisUserdefinedmemberfloodingatanytimestepDualHookCapabilitiesBuoyancyTanks,Valves,UserDefinedBuoyancyGenerateloadsatanytimestep附属构件设计以及防腐设计

附属构件设计

靠船件、爬梯、防沉板、电缆护管等结构设计防腐设计

防腐涂层、阳极块设计，飞溅区设计

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