海上风力机防护装置空心率影响研究

刘坤鹏; 缪维跑; 王瑀琎; 李春; 岳新智

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

海上风力机防护装置空心率影响研究

·实验研究·测试技术· | 更新时间：2025-08-18

- 海上风力机防护装置空心率影响研究
- Research on the influence of hollow ratio on protection device of offshore wind turbine
- 机械强度 2025年47卷第8期页码：11-18
- 作者机构：
  
  上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093
- 作者简介：
  
  刘坤鹏，男，1999年生，湖北荆州人，硕士研究生；主要研究方向为海上风力发电；E-mail：asd15102706701@163.com。
  李春，男，1963年生，北京人，博士，教授，博士研究生导师；主要研究方向为流体机械及工程、风能高效转换与应用及叶轮机械气动力学；E-mail：lichun_usst@163.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52375193;52376204;52106262;52006148);上海市Ⅳ类高峰学科-能源科学与技术-上海非碳基能源转换与利用研究院建设项目
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.002
  中图分类号： TK211
- 收稿日期：2023-12-18，
  
  修回日期：2024-02-27，
  
  纸质出版日期：2025-08-15
- 稿件说明：
移动端阅览
刘坤鹏，缪维跑，王瑀琎，等. 海上风力机防护装置空心率影响研究［J］. 机械强度，2025，47（8）：11-18.

LIU Kunpeng，MIAO Weipao，WANG Yujin，et al. Research on the influence of hollow ratio on protection device of offshore wind turbine［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（8）：11-18.
刘坤鹏，缪维跑，王瑀琎，等. 海上风力机防护装置空心率影响研究［J］. 机械强度，2025，47（8）：11-18. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.002.

LIU Kunpeng，MIAO Weipao，WANG Yujin，et al. Research on the influence of hollow ratio on protection device of offshore wind turbine［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（8）：11-18. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.002.

摘要

由于运输、装机、并网及维修等需求，近海区域海上风电场建设往往无法远离周围繁忙的航道，海上风力机受船舶撞击的概率大幅提升。为分析海上风力机受船舶撞击时不同空心率防护装置性能及损伤情况，采用Ansys/Ls-Dyna软件模拟5 000 t前倾艏船舶以2.0 m/s速度与海上风力机碰撞过程，对比分析了空心率对Ogden橡胶、Mooney-Rivlin橡胶及泡沫铝防护装置抗撞性能的影响。结果表明，随空心率的增大，泡沫铝材料防护装置冲击持续时间增大，接触力随之减小，橡胶材料则与之相反；随着空心率的降低，防护装置更类似于实心管，具有相对较小的最大凹陷深度；在超弹性能的影响下，橡胶材料凹陷深度在碰撞完成后相对泡沫铝材料更小，防护装置材料损伤更小；但支架区域内能占比逐渐提升，故在防护装置设计研究中需考虑空心率对腿部支架的影响。

Abstract

Due to the needs of transportation

installation

grid connection

and maintenance

the construction of offshore wind farms in inshore areas often cannot be far from busy surrounding waterways

which significantly increases the probability of offshore wind turbines being impacted by ships. To analyze the performance and damage of different hollow ratios of protective devices when offshore wind turbines are hit by ships， the collision process of a 5000-ton bow-downward ship with an offshore wind turbine at a speed of 2.0 m/s was simulated using Ansys/Ls-Dyna. The influence of the hollow ratio on the anti-collision performance of Ogden rubber， Mooney-Rivlin rubber and Aluminum foam aluminum constitutive protective devices was studied and compared. The results show that with the increase of hollow ratio

the impact duration of aluminum foam protective devices increases

and the contact force decreases accordingly

while rubber materials show the opposite trend. As the hollow ratio decreases

the protective device is more similar to a solid tube

with a relatively smaller maximum indentation depth. Under the influence of hyperelastic properties

the indentation depth of rubber materials is smaller than that of aluminum foam after the collision is completed

and the material damage of the protective device is smaller. However

the proportion of internal energy in the support area gradually increases

so the influence of hollow ratio on the leg support needs to be considered in the design and research of protective devices.

关键词

Keywords

references

姜红丽，刘羽茜，冯一铭，等．碳达峰、碳中和背景下“十四五”时期发电技术趋势分析［J］．发电技术， 2022 ， 43 （ 1 ）： 54 - 64 ．

JIANG Hongli ， LIU Yuxi ， FENG Yiming ， et al . Analysis of power generation technology trend in 14th Five-Year Plan under the background of carbon peak and carbon neutrality ［J］. Power Generation Technology ， 2022 ， 43 （ 1 ）： 54 - 64 . （In Chinese）

雒德宏．我国海上风电发展现状及对策建议［J］．水电与新能源， 2022 ， 36 （ 11 ）： 76 - 78 ．

LUO Dehong . Current situation and suggestions of offshore wind power development in China ［J］. Hydropower and New Energy ， 2022 ， 36 （ 11 ）： 76 - 78 . （In Chinese）

杜剑强，仲俊成，李斌，等．中国海上风电发展现状及展望［J］．油气与新能源， 2023 ， 35 （ 3 ）： 1 - 7 ．

DU Jianqiang ， ZHONG Juncheng ， LI Bin ， et al . Current situation and outlook of China’s offshore wind power ［J］. Petroleum and New Energy ， 2023 ， 35 （ 3 ）： 1 - 7 . （In Chinese）

国际新能源网．德国北海一艘风电运维船撞上风机1人重伤2人轻伤［EB/OL］．（ 2020-04-27 ）［ 2023-06-18 ］． http：//newenergy.in-en.com/html/newenergy-2380710.shtml http://newenergy.in-en.com/html/newenergy-2380710.shtml .

New Energy . IN-EN. com. A wind power operation and maintenance ship in Beihai ， Germany hit a fan ， and one person was seriously injured and two people were slightly injured ［EB/OL］. （ 2020-04-27 ）［ 2023-06-18 ］. http：//newenergy.in-en.com/html/newenergy-2380710.shtml. http://newenergy.in-en.com/html/newenergy-2380710.shtml. （In Chinese）

Global Offshore Wind Health and Safety Organisation . 2020 incident data report ［R/OL］．（ 2021-11 ）［ 2022-03 ］． https：//www.gplusoffshorewind.com/work-programme/workstreams/statistics https://www.gplusoffshorewind.com/work-programme/workstreams/statistics .

MÁRQUEZ L ， LE SOURNE H ， RIGO P . Mechanical model for the analysis of ship collisions against reinforced concrete floaters of offshore wind turbines ［J］. Ocean Engineering ， 2022 ， 261 ： 111987 .

REN Y L ， MENG Q S ， CHEN C ， et al . Dynamic behavior and damage analysis of a spar-type floating offshore wind turbine under ship collision ［J］. Engineering Structures ， 2022 ， 272 ： 114815 .

BELA A ， LE SOURNE H ， BULDGEN L ， et al . Ship collision analysis on offshore wind turbine monopile foundations ［J］. Marine Structures ， 2017 ， 51 ： 220 - 241 .

WANG J J ， SONG Y C ， WANG W ， et al . Evaluation of flexible floating anti-collision device subjected to ship impact using finite-element method ［J］. Ocean Engineering ， 2019 ， 178 ： 321 - 330 .

YAN S X ， HE S M ， WANG D P ， et al . Design and optimisation of a protective device for bridge piers against debris flow impact ［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment ， 2020 ， 79 （ 7 ）： 3321 - 3335 .

LIU C G ， HAO E T ， ZHANG S B . Optimization and application of a crashworthy device for the monopile offshore wind turbine against ship impact ［J］. Applied Ocean Research ， 2015 ， 51 ： 129 - 137 .

YUE X Z ， HAN Z W ， LI C ， et al . The study on structure design of fender of offshore wind turbine based on fractal feature during collision with ship ［J］. Ocean Engineering ， 2021 ， 236 ： 109100 .

石少卿，康建功，汪敏，等 . ANSYS/LS-DYNA在爆炸与冲击领域内的工程应用［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 2011 ： 23 - 27 .

SHI Shaoqing ， KANG Jiangong ， WANG Min ， et al . Engineering application of ANSYS/LS-DYNA in the field of explosion and impact ［M］. Beijing ： China Architecture & Building Press ， 2011 ： 23 - 27 . （In Chinese）

魏家威，石霄鹏，冯振宇．应变率相关的橡胶本构模型研究［J］．高压物理学报， 2022 ， 36 （ 2 ）： 107 - 117 ．

WEI Jiawei ， SHI Xiaopeng ， FENG Zhenyu . Strain rate dependent constitutive model of rubber ［J］. Chinese Journal of High Pressure Physics ， 2022 ， 36 （ 2 ）： 107 - 117 . （In Chinese）

岳新智，韩志伟，李春，等 . 海上风力机橡胶及泡沫铝材料防护装置性能研究［J］. 热能动力工程， 2022 ， 37 （ 5 ）： 115 - 123 ．

YUE Xinzhi ， HAN Zhiwei ， LI Chun ， et al . Study on performance of rubber and aluminum foam protective device for offshore wind turbine ［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ， 2022 ， 37 （ 5 ）： 115 - 123 . （In Chinese）

MOONEY M . A theory of large elastic deformation ［J］. Journal of Applied Physics ， 1940 ， 11 （ 9 ）： 582 - 592 .

RIVLIN R S ， SAUNDERS D W . Large elastic deformations of isotropic materials VII. Experiments on the deformation of rubber ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A，Mathematical and Physical Sciences ， 1951 ， 243 （ 865 ）： 251 - 288 .

HALLQUIST J . LS-DYNA keyword user'smanual volume Ⅱ：material models ［M］. Livermore ： Livermore Software Technology Corporation ， 2022 ： 252 - 255 .

韩志伟，李春，周红杰，等 . 海上风力机基础防护装置在船舶碰撞下的动态响应研究［J］. 机械强度， 2020 ， 42 （ 1 ）： 21 - 28 ．

HAN Zhiwei ， LI Chun ， ZHOU Hongjie ， et al . Research on dynamic response with crashworthy devices of offshore wind turbine fundation to ship impact ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2020 ， 42 （ 1 ）： 21 - 28 . （In Chinese）

DESHPANDE V S ， FLECK N A . High strain rate compressive behaviour of aluminium alloy foams ［J］. International Journal of Impact Engineering ， 2000 ， 24 （ 3 ）： 277 - 298 .

韩志伟，李春，余万，等 . 船舶碰撞海上风力机防护装置的动力响应对比分析［J］. 机械强度， 2020 ， 42 （ 5 ）： 1230 - 1237 ．

HAN Zhiwei ， LI Chun ， YU Wan ， et al . Comparative dynamic responseanalysis of offshore wind turbines fender in ship collision ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2020 ， 42 （ 5 ）： 1230 - 1237 . （In Chinese）

尚晓江，苏建宇，王化锋，等 . ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例［M］. 2版 . 北京：中国水利水电出版社， 2008 ： 39 - 43

SHANG Xiaojiang ， SU Jianyu ， WANG Huafeng . Dynamic analysis method and engineering example of ANSYS/LS-DYNA ［M］. 2nd ed . Beijing ： China Water & Power Press ， 2008 ： 39 - 43 . （In Chinese）

WU S R . A variational principle for dynamic contact with large deformation ［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering ， 2009 ， 198 （ 21/22/23/24/25/26 ）： 2009 - 2015 .

韩志伟，李春，周红杰，等 . 海上风力机多层材料防护装置在船舶碰撞下动力响应分析［J］. 热能动力工程， 2019 ， 34 （ 9 ）： 148 - 155 .

HAN Zhiwei ， LI Chun ， ZHOU Hongjie ， et al . Dynamic response with multi-layer material crashworthy devices of offshore wind turbine under ship collision ［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ， 2019 ， 34 （ 9 ）： 148 - 155 . （In Chinese）

李文，那昱，吴殿臣，等 . 空心率对GFRP-混凝土-钢双管柱力学性能的影响［J］. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）， 2015 ， 34 （ 9 ）： 1037 - 1041 ．

LI Wen ， NA Yu ， WU Dianchen ， et al . Affect of hollow rate to mechanical performance of GFRP-concrete-steel double-skin tubular columns ［J］. Journal of Liaoning Technical University （Natural Science）， 2015 ， 34 （ 9 ）： 1037 - 1041 . （In Chinese）

DNV . Design of offshore wind turbine structures ［S］. Oslo ： DNV-OS-J101 Offshore Standard ， 2011 ： 26 - 34 .

韩志伟，周红杰，李春，等 . 海上风力机与船舶碰撞的动力响应及防碰装置［J］. 中国机械工程， 2019 ， 30 （ 12 ）： 1387 - 1394 ．

HAN Zhiwei ， ZHOU Hongjie ， LI Chun ， et al . Dynamic response and anti collision devices of an offshore wind turbine subjected to ship impacts ［J］. China Mechanical Engineering ， 2019 ， 30 （ 12 ）： 1387 - 1394 . （In Chinese）

WANG H ， HU Z Q ， MENG X Y . Dynamic performance investigation of a spar-type floating wind turbine under different sea conditions ［J］. China Ocean Engineering ， 2018 ， 32 （ 3 ）： 256 - 265 .

BIEHL F ， LEHMANN E . Collisions of ships with offshore wind turbines：calculation and risk evaluation ［M］// Offshore Wind Energy . Berlin ： Springer Berlin Heidelberg ， 2006 ： 281 - 304 .

赵鑫磊，韩志伟，李春，等 . 海上风力机设孔防护装置性能研究［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 16 ）： 5624 - 5634 ．

ZHAO Xinlei ， HAN Zhiwei ， LI Chun ， et al . Research on protection performance of via hole fender for offshore wind turbine ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 16 ）： 5624 - 5634 . （In Chinese）

NOKOB M H ， YEUNG R W . Added mass of thin flat plates of arbitrary shapes with possible openings ［J］. Applied Ocean Research ， 2018 ， 79 ： 149 - 159 .

王自力，蒋志勇，顾永宁 . 船舶碰撞数值仿真的附加质量模型［J］. 爆炸与冲击， 2002 ， 22 （ 4 ）： 321 - 326 .

WANG Zili ， JIANG Zhiyong ， GU Yongning . An added water mass model for numerical simulation of ship/ship collisions ［J］. Explosion and Shock Waves ， 2002 ， 22 （ 4 ）： 321 - 326 . （In Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

船舶碰撞海上风力机防护装置的动力响应对比分析

船舶碰撞下海上风力机基础与土层耦合动态分析

海上风力机基础防护装置在船舶碰撞下的动态响应研究

海上风力机泡沫铝夹芯板防护装置结构抗撞特性研究

基于ABAQUS的冲压机器人执行机构碰撞仿真分析及结构优化