新型海上风电基础防撞装置吸能机理及构型优化研究

To protect offshore wind station in the event of a severe ship impact, a new anti-collision device is put forward. Ship collision process analysis method, energy aborting mechanism and structure optimization of the anti-collision devices are studied combining theoretical analysis, numerical simulation and experiment. Firstly, vector finite element models and algorithms of ship collision are established to study whole collisions process of ship and offshore wind foundation. Moreover, dynamic damage constitutive model for anti-collision devices is established to analyze failure process of anti-collision devices and dynamic response of foundation to reveal failure mode and composite energy absorbing mechanism of anti-collision device, calculation model and analysis methods are modified and improved by comparing the numerical results and experimental results. Finally, explore key structural parameters which affect energy absorbing and optimize geometries of composite anti-collision devices. Results in the project will enrich and improve the ship collision analysis methods, composite material damage constitutive model and optimization method, provide adequate theoretical support for offshore wind foundation protection device selection and design, provide important reference for collision protection or seismic analysis in other disasters.

本项目以海上风电基础防护为出发点，提出一种新型吸能缓冲型复合材料防撞装置，拟通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方式，对海上风电基础-船舶碰撞全过程分析方法、防撞装置吸能机理和构型优化进行研究。基于向量式有限元建立海上风电基础-船舶碰撞分析模型并形成算法，研究碰撞全过程中的力学行为，建立防撞装置复合材料的动态损伤本构模型，研究碰撞冲击作用下装置破坏失效发展过程和基础结构的动力响应，揭示装置的失效模式和吸能机理，通过对比数值结果和模型实验结果，修正和完善计算模型和分析方法；探讨影响防撞装置吸能性能的关键结构参数，优化装置的构型，提出实用有效的复合材料防撞装置计算理论和分析方法。本项目将丰富和完善船舶碰撞分析方法、复合材料动态损伤本构模型和多级优化方法，为海上风电基础结构分析及防撞装置选型和设计提供充分的理论支持，也为其他灾变中防撞抗震的安全分析和防护研究提供参考。

随着航运业的迅速发展，船舶与海上风电开发基础设施的碰撞事故愈发频繁。为提高船舶和海上风电基础结构的安全性，本项目通过创新的结构构造与合理的材料组合，形成了新型的吸能缓冲型复合材料防撞装置，针对该新型防撞装置在工程应用中需要重点解决的关键科学问题，采用理论研究、数值分析和实验验证的手段，开展了以下研究工作：1）基于向量式有限元理论，形成了船舶-海上风电基础结构碰撞分析方法和程序，丰富和完善了船舶碰撞分析方法，通过与公开文献对比分析，验证了本项目分析方法和计算程序的可行性和可靠性；2）对新型防撞装置进行相应的力学性能分析和结构设计，探索了船舶碰撞下复合材料防撞装置的工作机理、传力机制和简化模型，揭示了防撞装置的吸能机理和失效模式；3）分别对防撞装置基本构件进行力学性能试验和冲击试验，确定出了计算分析的精细化材料本构模型参数，进一步考察了防撞装置的失效模式和吸能能力；4）综合考虑防撞装置构型关键参数，建立了防撞装置多目标驱动优化方法和设计理论，探讨合理的结构布置形式，评价了防撞装置的耐撞性能。本项目研究成果为海上风电基础结构抗撞分析和结构防护研究提供理论基础和设计依据，也为同类工程的分析方法提供参考。