فني

يادداشت

فني

يادداشت

اثرات بارهاي ناشي از موج و باد بر ضرايب شدت تنش
يك سازه فراساحلي تركدار
12* مجيدرضا آيت اللهي ، كارو صديقياني 1

استاد، آزمايشگاه خستگي و شكست، دانشكده مهندسي مكانيك، دانشگاه علم و صنعت ايران
دانشجوي كارشناسي ارشد، آزمايشگاه خستگي و شكست، دانشكده مهندسي مكانيك، دانشگاه علم و صنعت ايران
چكيده با توجه به هزينه بالاي نگهداري و تعمير توربينهاي بادي فراساحلي، دقت بيشتري براي تحليل قابليت اطمينان اين سازهها ضروري ميباشد. ماهيت بارهاي ناشي از باد و موج باضافه اثرات ناشي از خوردگي آب دريا عاملهاي مهمي براي ايجاد و رشد تركها در سازههاي دريايي ميباشد. اين تركها ميتوانند سبب شكستهاي ناگهاني در سازههاي دريايي گردند. سازه نگهدارنده سهپايهاي در توربينهاي بادي واقع در آبهاي عميق مورد استفاده ميباشد. در اين مقاله يك ترك معمول در سازه نگهدارنده سه پايهاي فرض شده و با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود ABAQUS مورد تحليل و بررسي قرار گرفته است. نشان داده شده است كه تغييرات ضرايب شدت تنش با طول ترك بسيار قابل توجه بوده و ضريب شدت تنش مود II در مقايسه با ضريب شدت تنش مود I قابل صرفنظر نميباشد. بنابراين براي آناليز عمر خستگي و يا بدست آوردن بار شكست در سازههاي فراساحلي مشابه لازم است كه نمودارهاي ضرايب شدت تنش بدست آمده در اين تحقيق به همراه يكي از معيارهاي مود تركيبي بكار گرفته شود.
كلمات كليدي: توربين بادي فراساحلي، سازه نگهدارنده سهجپايهجاي ،ترك، ضرايب شدت تنش، خستگي

TECHNICAL NOTE

TECHNICAL NOTE

EFFECTS OF WIND AND WAVE LOADS ON STRESS
INTENSITY FACTORS OF A CRACKED OFFSHORE STRUCTURE

M. R. Ayatollahi1, K. Sedighiani2

1-Professor, Faculty of Mechanical Eng., Iran University of Science and Technology
2-M. Sc. Student Mechanical Eng., Iran University of Science and Technology

Abstract
Due to the much higher maintenance and replacement expenses of the offshore wind turbine structures, more attention should be paid for a reliable lifetime analysis of them. Meanwhile, the cyclic nature of wave and wind loads together with the corrosive effects from the sea water are major factors for the creation and growth of flaws and cracks in offshore structures. These cracks can be the cause of instantaneous failure in marine structures. The “Tripod” model is one of the favorite support structures which are used for offshore wind turbines particularly in deeper waters. In this paper, a crack is considered in a support structure that can be typically used in the offshore wind turbine constructions. The finite element code ABAQUS is employed
[email protected] نويسنده مسوول مقاله *
to determine the related stress intensity factors for different types of loads. It is shown that the variations of stress intensity factors with crack length differ significantly for various loading types. Also the mode II stress intensity factor is not negligible compared to the mode I stress intensity factor. Therefore, for analyzing the fatigue life or the fracture load of similar cracked offshore structures, appropriate mixed mode crack growth criteria should be employed together with the curves derived in this research for stress intensity factors.
Keywords: Offshore wind turbine, Tripod support structure, Crack, Stress intensity factors,

1- مقدمه
انرژي بادي فراساحلي به طور گستردهجاي در دو دهه اخير رشد كرده، بطوريكه در بعضي از كشورها بيشتر از 10% انرژي الكتريسيته توسط توربينجهاي بادي فراساحلي تامين ميجگردد 1[]. از جمله مزاياي توربينهاي بادي فراساحلي ميجتوان به دسترسي به ناحيهجهاي پيوسته و بزرگ، سرعت باد بيشتر -كه معمولا با فاصله گرفتن از ساحل بيشتر مي شود- و توربولانس كمتر -كه سبب افزايش انرژي توربين و كاهش اثرات بارهاي خستگي ميگردد- اشاره كرد. اگر چه در مقابل ويژگيهاي مهم اشاره شده مشكلاتي مانند هزينه بالاتر شبكه الكتريكي، فونداسيون، نصب و نگهداري در اين سازهها قابل پيشبيني ميباشد.
در زمينه توربين هاي بادي فراساحلي به عنوان جايگزيني براي روشهاي سنتي توليد انرژي ، سرمايهجگذاريججهاي قابل توجهي صورت گرفته است.
اگرچه، هنوز نگراني هايي در مورد قابليت اطمينان و ايمني سازهجهاي نگهدارنده توربينججهاي بادي تحت بارهاي ناشي از موج و باد در شرايط سخت محيطي وجود دارد. با توجه به هزينه نگهداري و تعمير بالاتر توربينجهاي بادي فراساحلي نسبت به سازهجهاي روي زمين، تمركز و دقت بيشتري براي تحليل عمر قابل اطمينان آنها ضروري مي باشد. خستگي يكي از عوامل اصلي فروپاشي سازهججهاي دريايي ميججباشد، لذا اين موضوع توسط محققين بسياري مورد بررسي و تحليل قرار گرفته است 2[، 3، 4]. ژيائو [2] مروري بر روشججهاي مختلف ارزيابي قابليت اعتماد سازهججهاي فراساحلي در مقابل خستگي و شكست انجام داده است ،سپس يك سازه دريايي معمول را با استفاده از اين روشجها تحليل كرده است. كام و بيركينشاو 3[] رفتار خستگي اتصالج هاي لوله جاي شكل در نقاط جوش را
Fatigue

براي انواع مختلف اتصال بررسي كرده اند. رامساموج و شوكار 4[] يك مدل جديد براي ارزيابي عمر خستگي سازهجهاي فراساحلي ارائه كردهجاند. در اين مدل امكان در نظر گرفتن اثرات خوردگي نيز وجود دارد.
ماهيت تكرار شونده بارهاي ناشي از باد و موج باضافه اثرات ناشي از خوردگي آب دريا عاملهاي مهمي براي ايجاد و رشد ترك ها در سازه هاي دريايي ميجباشند .از آنجاييكه وجود ترك سبب تمركز تنش شديد ميشود بنابراين تركها سبب كاهش استحكام سازه ميگردند. اين ترك ها ميجتوانند سبب شكستججهاي ناگهاني در سازهجهاي دريايي گردد. بنابراين تركهايي كه در طول دوره سرويس دهي سازهجهاي فراساحلي يافت ميججشوند بايد به دقت بررسي و تحليل گردند.
مدل سهجپايه اي يكي از سازهججهاي نگهدارنده ميجباشد كه معمولا در توربينجهاي بادي فراساحلي قرار گرفته در آب هاي عميق استفاده مي گردد [5 و6 ]. استفاده از اين نوع سازه نگهدارنده در آخرين دهه قرن بيستم آغاز گرديده و ساختار آن بسيار شبيه به برخي از سازهجهاي مورد استفاده در سكوهاي نفتي و گازي ميجباشد. در اين سازه، تقويتجكنندهجهاي جانبي به يك پايه مركزي بزرگ جوش داده ميججشوند. به دليل تمركز تنش و اثرات جوش، ناحيه حرارت ديده واقع شده در نزديكي منطقه جوش يكي از نقاط بسيار محتمل براي آغاز و رشد تركجهاي خستگي ميجباشد.
سازه نگهدارنده توربينهاي بادي فراساحلي بطور كلي در معرض شرايط بارگذاري پيچيدهاي ميباشد. بنابراين تركهايي كه در سازه نگهدارنده آنها ايجاد ميگردد اغلب تحت بارگذاري تركيبي از مود I و مود II خواهند بود. در اين تحقيق تركي در اين نقطه بحراني در نظر گرفته شده و ضرايب شدت تنش KI و KII با استفاده از
90
روش اجزا محدود براي طول ترك هاي مختلف محاسبه گرديده است. همانطور كه در ادامه شرح داده مي شود، سه نوع بارگذاري مختلف بطور جداگانه مورد بررسي قرار گرفته است: بار فشاري محوري P، نيروي برشي S و گشتاور خمشي M. بارگذاري خمشي و نيروي برشي اثرات باد و موج را نشان ميدهد و بار فشاري متناظر با وزن توربين بادي و پايه ميباشد.

2 – سازه نگهدارنده سه پايه اي
بطور كلي يك سازه نگهدارنده سه پايهجاي به طوري طراحي ميگردد كه بارهاي مقطعي وارد بر پايه مركزي به بارهاي خمشي، كششي و فشاري در سه تقويت كننده جانبي تبديل گردد. تقويتججكنندهجهاي جانبي بالاتر از بستر دريا به گونه اي دو به دو به همديگر وصل شدهاند كه به سازه نگهدارنده حالتي مثلثي شكل ميجدهد. در اين مقاله از نمونه سازه نگهدارنده سه پايهججاي ارائه شده توسط زايژر استفاده شده است 7[]. شكل و پارامترهاي مهم سازه نگهدارنده سه پايه اي مرجع در شكل 1 نشان داده شده است. مشخصات و ابعاد سازه نگهدارنده و توربين بادي متناظر در جدول 1 ارائه گرديده است. نماي سهبعدي سازه نگهدارنده در شكل 2 نشان داده شده است.

بارها و اثرات بارگذاري
سازههاي نگهدارنده توربينهاي بادي در معرض انواع مختلف بارگذاري ميباشند. بطوركلي ميتوان گفت كه توربينهاي بادي در معرض چهار دسته بار كلي قرار دارند: بارهاي دايمي، بارهاي كاركردي متغير ،بارهاي محيطي و بارهاي ناشي از تغيير شكل. جدول 2 انواع بارهاي مهم مربوط به سازه هاي نگهدارنده را دستهبندي كرده و مثالهايي از آن را ذكر مينمايد [8].
مروري بر بارهاي فوق نشان ميدهد كه اين بارها در نهايت روي پايه مركزي به صورت سه بارگذاري اصلي محوري، برشي و خمشي ظاهر ميشوند. براي مثال بارهاي ناشي از وزن را با استفاده از بارگذاري محوري فشاري و نيروهاي ناشي از باد و موج را با استفاده از بارهاي برشي و خمشي ميتوان مدل نمود. لذا در اين تحقيق اثر ناشي از سه دسته بار فوق بطور مجزا در نظر گرفته شده و نتايج براي هر كدام از آنها ارائه گرديد. در نهايت با استفاده از اصل جمع آثار ميتوان براي تركيبهاي مختلف بارها رفتار سازه را بررسي كرد.

مدل سازي اجزا محدود
آناليز تنش مدل بدون ترك نشان ميدهد كه به دليل تمركز تنش و اثرات جوش در نقاط اتصال ميان پايه مركزي و تقويتكنندههاي جانبي احتمال ايجاد ترك بسيار بالا ميباشد. شكل 3 نماي نزديك از ناحيه تمركز تنش را نشان ميدهد. بنابراين در اين تحقيق فرض شده است كه ترك در يكي از نقاط اتصال پايه مركزي با تقويتكنندههاي جانبي ايجاد ميگردد.
بطور كلي براي بررسي رفتار يك سازه تركدار، پارامترهاي اصلي ترك كه ميدان هاي تنش و كرنش اطراف نوك ترك را معين مي كنند بايد مشخص باشد. به اين منظور پارامتري به نام ضريب شدت تنش تعريف ميجگردد. بسته به نوع حركت وجه هاي ترك نسبت به همديگر، بارگذاري مي تواند از نوع مود I، مود II، مود III و يا تركيبي از آنها باشد. اگر وجههاي ترك بدون هيچگونه لغزشي نسبت به همديگر باز شوند، بارگذاري مود I ميباشد. در بارگذاري مود II و مود III وجههاي ترك نسبت به همديگر به ترتيب فقط لغزش در صفحه و لغزش خارج از صفحه دارند.ححححححححح

شكل 1- توپولوژي سازه نگهدارنده سه پايه اي
جدول 1- مشخصات توربين بادي و سازه نگهدارنده مرجع [7]

ابعاد سازه نگهدارنده مرجع ابعاد بيروني اصلي (m) ارتفاع گره از سطح دريا 30
(m) شعاع پايه از پايه مركزي تا پايه جانبي 20
تقويت كننده جانبي (m) قطر خارجي 1/6
(m) ضخامت ديواره 0/03
پايه (m) قطر خارجي 0/8
(m) ضخامت ديواره 0/02
پايه مركزي (m) قطر خارجي 4
(m) ضخامت ديواره 0/08
پايه جانبي (m) قطر خارجي 2
(m) ضخامت ديواره 0/03

شكل 2- نماي سه بعدي سازه نگهدارنده مرجع

شكل 3- نماي نزديك از تمركز تنش در محل اتصال پايه مركزي و تقويت كننده جانبي

وجههاي ترك نسبت به همديگر به ترتيب فقط لغزش در صفحه و لغزش خارج از صفحه دارند. بسياري از نمونهها در واقعيت تحت بارگذاري تركيبي از مودهاي I و II ميباشند. ضرايب شدت تنش KI و KII مهمترين پارامترهاي نوك ترك بوده كه ميزان سينگولاريتي نوك ترك را تعيين ميكنند [9 و 01].
در اين مقاله از نرمافزار اجزا محدودABAQUS جهت شبيهسازي سه بعدي سازه نگهدارنده مرجع استفاده شد .براي شبكهبندي نمونه از المان مكعبي 02 گرهي استفاده گرديد و افزايش چگالي گرهها به سمت نوك ترك در نظر گرفته شد. در نوك ترك از المانهاي سينگولار كه گره مياني آن به ¼ انتقال داده شده است استفاده گرديد. در شكل 4- الف شبكهبندي سازه نگهدارنده و در شكل 4- ب شبكهبندي اطراف اتصال تركدار نشان داده شده است.
13289541373132

ترك به صورت بخشي از يك بيضي در محل اتصال پايه مركزي و تقويت كننده جانبي در نظر گرفته شد (شكل 5- الف). amax ماكزيمم عمق ترك بوده و از آنجاييكه ضرايب شدت تنش در اين نقطه ماكزيمم ميباشد، در اين تحقيق ضرايب شدت تنش در اين نقطه استخراج گرديد. tα ضخامت قسمت اتصال پايه جانبي به پايه مركزي و برابر با α= ميباشد. α زاويه
tα tbracecos
نسبت به همديگر، بارگذاري مي تواند از نوع مود I، مود
ميان پايه مركزي و پايه هاي جانبي است. در شكل II، مود III و يا تركيبي از آنها باشد. اگر وجههاي ترك 5- ب شبكه بندي ترك ديده ميشود .
بدون هيچگونه لغزشي نسبت به همديگر باز شوند ،بارگذاري مود I ميباشد .در بارگذاري مود II و مود III

90
جدول 2- انواع بارگذاري اعمالي به سازه نگهدارنده

مثال تعريف نوع بار
جرم سازه و تجهيزات دائمي بارهاي دائمي به بارهايي گفته مي شود كه مقدار، موقعيت و جهت آنها در طول دوره سرويس دهي سازه تغيير نمي كند و ثابت باقي مي ماند. بارهاي دائمي
فشار هيدرواستاتيك داخلي و خارجي نيروي ناشي از عكس العمل پرسنل بارهاي كاركردي متغير به بارهايي گفته مي شود كه ممكن است مقدار، موقعيت و جهت آنها در طول دوره سرويس دهي سازه تغيير مي كند و وابسته به عملكرد متداول تاسيسات مي باشد. بارهاي كاركردي متغير
بارهاي ناشي از بلند كردن با جرثقيل اصابت كشتي بارهاي وابسته به عمليات نصب بارهاي ناشي از باد، برف و يخ بارهاي محيطي به بارهايي گفته مي شود كه ممكن است مقدار ،موقعيت و جهت آنها در طول دوره سرويس دهي سازه تغيير مي كند ولي وابسته به شرايط محيطي حاكم بر سازه مي باشد. بارهاي محيطي
بارهاي هيدروديناميك ناشي از موج و جريان آب بارهاي ناشي از زلزله اثرات جزر و مد و پيشروي دريا بارهاي ناشي از تغييرات دما بار ناشي از تغيير شكل به باري گفته ميشود كه از تغيير بارهاي تغيير شكل
تغيير شكل هاي حبس شده در سازه شكلهاي تحميلي به سازه ايجاد ميگردد. تغيير شكلهاي تحميلي از طرف فونداسيون

شكل 4- الف) شبكه بندي سازه نگهدارنده، ب) شبكه بندي اتصال تركدار

همانطور كه قبلا توضيح داده شد، سازه و پايه مركزي براي سه حالت بارگذاري اعمالي مختلف يعني بارگذاري فشاري (P)، بارگذاري برشي (S) و بارگذاري خمشي (M) مدلسازي و تحليل گرديد (شكل 6). بارها به يك مقطع صلب متصل به انتهاي برش خورده پايه مركزي وارد شد .اين مقطع صلب به اندازه كافي دور از ترك انتخاب گرديد تا از اثرات شرايط مرزي بر تنش هاي اطراف ترك جلوگيري گردد. از مدل سهبعدي اجزا محدود براي بررسي تغييرات ضرايب شدت تنش مود I و II براي طولهاي مختلف ترك
1354843-773

0.2, 0.3, 0.4, 0.5 =a tα استفاده گرديد.

5– تحليل نتايج
1606291960123

1063747954022

نتايج بدست آمده نشان داد كه ضريب شدت تنش مود III در مقايسه با ضرايب شدت تنش مود I و مود II قابل صرفنظر مي باشد، بنابراين در اين تحقيق فقط به بررسي ضرايب شدت تنش مود I و II پرداخته شده است. توابع شكل(f I (a tα و(f II (a tα به ترتيب براي مود I و II و براي هر سه حالت مختلف بارگذاري S ،P و M تعريف گرديد كه جزئيات آن در جدول 3 آمده است. تعريف اين توابع بيبعد اين امكان را خواهد داد كه براي بارگذاريهاي مختلف و هندسههاي مشابه بتوان به سادگي ضرايب شدت تنش را محاسبه نمود.
309067985379

شكل 5- الف) ترك و مشخصات هندسي آن ،
ب) شبكه بندي ترك
3473204151310

شكل 6- بارگذاري هاي اعمالي به سازه نگهدارنده

2484119268230



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید