近年来海上风力发电在全球蓬勃发展,成为海上风能最具应用前景的形式之一,已受到国家的高度重视,国家能源局《可再生能源“十三五规划”》对海上风电的发展也提出了具体的规划。随着全球贸易的发展,靠近航道的海上风力机在服役期内遭遇船舶撞击的概率也随之增加。海上风力机是一种典型顶部带有集中大质量的高耸结构,如果支撑结构由于碰撞造成大变形很容易引起顶部叶片、轮毂和机舱强烈的动力响应,并最终导致整体结构失稳倒塌,其结果必然是灾难性的,因此研究碰撞后风力机的动力响应并探索有效的防护装置以减小船舶碰撞的危害,可为风力机的安全运行提供保障,具有重要的现实意义和工程应用价值。本文运用非线性有限元方法,基于ANSYS/LS-DYNA模拟船舶与海上风力机的碰撞过程,分析不同碰撞工况下塔架结构的抗撞性能和风力机的响应,得出结论如下:1.对比研究了Utility Vessel 6514船舶分别与单桩基础、三脚架基础、导管架基础海上风力机的碰撞过程。结果表明:相对于三角架基础和导管架基础,单柱基础海上风力机位移和加速度响应更加明显;碰撞过程中,不仅碰撞区域发生变形,同时管桩连接部位、斜撑杆交叉处也有较明显的应变,应在设计过程中对这些部位进行加固;从海上风力机支撑基础的撞击深度和接触力分析可知导管架基础的抗撞性能最好。2.针对单桩柱基础海上风力机,研究改变船舶撞击速度、撞击位置和角度,对接触力、能量变化、撞击时间、撞深及塔顶响应进行分析。结果表明:当撞击速度在1m/s时,塔架结构没有发生明显的凹陷变形,而当撞击速度在2m/s及以上时,塔架发生了明显的变形,撞击速度4m/s时塔架的变形大于3m/s,但总体上应力集中区域较小,说明此刻通过塔架变形对应力进行了一定的释放;随着碰撞角度的增加,塔架结构的变形能在减小,在碰撞角度为75°时,结构变形能最大值明显下降;碰撞角度较小时(0°、15°、30°、45°),碰撞完成后塔架结构的撞击深度较为接近,但在碰撞角度增加到60°和75°时,塔架撞击深度明显下降,撞击深度的变化趋势与变形能结果较为一致。A碰撞位置支撑结构的变形能占总能量比和撞击深度高于B和C碰撞位置;随着船舶速度的增加,碰撞位置对支撑结构变形能的影响越来越小。3.对比分析了桩基础采用SSI后和刚性固定两种约束方式对结果的影响;通过开源软件FAST计算风力机运行过程中风轮推力并导入结构运算;通过水动力学软件计算了波浪力,并采用APDL命令实现结构载荷的耦合,将波浪力准确施加在基础的单元节点上。结果表明:软黏土的弹簧刚度较小,因此在设计和建造海上风力机的过程中应加大桩基础的水泥浇筑面积和深度从而减弱桩土作用以抑制危险工况时塔顶的响应;风速为11.4m/s时,接触力最大值较小,碰撞持续的时间随风向角度增加而增加,在额定风速下,风向角度的变化对碰撞持续时间影响较大;在波浪的作用下,塔机结构变形能增加,但塔顶风力机响应和撞击处接触力会变小,这是因为接触力是结构支点反力,且与碰撞力满足牛顿第三定律互为作用力与反作用力,波浪作用区域与船舶碰撞区域较为重合,虽然在波浪作用下结构变形较大,但此时受损区内力的形式和组成有所变化,因此波浪作用下的接触力反而更小。4.针对海上风力机受船舶撞击危险较大的问题,提出将泡沫铝和橡胶组合成防撞装置,通过橡胶材料的超弹性和泡沫铝的高吸能特性来降低风力机塔架的损伤和塔顶风力机的响应,得出以下结论:橡胶防护装置对塔顶风力机的响应抑制效果明显,塔顶正负向最大位移、速度和加速度较之无防护装置时分别减少了33%、50%和23.6%,塔架下端结构变形能大幅减少,塔架撞深是无防护装置的1/10,防护装置能避免碰撞力集中施加于塔架,使最大应力小于材料的屈服强度;通过碰撞过程中塔架下端结构变形能、最大接触力、塔顶风力机位移和加速度证实泡沫铝和橡胶组合型防护装置的效果最好。