海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)動力仿真敏感性分析

俞立新 卓 楊 吳 鋒

(中交上海港灣工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200032)

海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)動力仿真敏感性分析

俞立新 卓 楊 吳 鋒

(中交上海港灣工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200032)

以導(dǎo)管架基礎(chǔ)為例，對海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的動力特性進行了數(shù)值模擬，分析了葉輪、土體參數(shù)、單元類型等參數(shù)對結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的敏感性，研究表明在實際工程中應(yīng)避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，而在仿真分析中，葉輪、土體參數(shù)等參數(shù)對風(fēng)電基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)的固有頻率影響均在容許范圍內(nèi)。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)，模態(tài)分析，敏感性分析

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來研究和應(yīng)用的熱點。我國海上風(fēng)電場的建設(shè)起步較晚，國內(nèi)第一個海上風(fēng)電項目——上海東海大橋100 MW海上風(fēng)電示范項目已于2010年7月實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

風(fēng)機基礎(chǔ)作為海上風(fēng)機的重要組成部分，為避免基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，根據(jù)GL規(guī)范(Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines)[1]要求，整機(風(fēng)電機組+塔筒+基礎(chǔ)+地基系統(tǒng))固有頻率需滿足fR/f0,n>1.05或<0.95(其中，fR為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動激振頻率；f0,n為整機固有頻率)，整機固有頻率還需要考慮±5%的裕量，即綜合考慮10%的安全裕量。此外，海上風(fēng)電基礎(chǔ)必須考慮波浪、水流等周期性往復(fù)荷載的作用，若這種動載荷與靜載荷相比不占主要地位，其影響可以忽略不計，只需做靜態(tài)計算；但是相對于陸上風(fēng)機，海上風(fēng)機往往更加大型化，受到的波浪、風(fēng)機荷載甚至船舶撞擊等動載荷作用也較陸上更大，因此有必要針對海上風(fēng)機的動力特性展開系統(tǒng)的研究。

1 計算模型

以海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)為例建模，模型中樁采用管單元；斜撐、塔筒等部位采用梁單元；土體采用彈簧單元，彈簧剛度按m法取值；機艙采用實體單元；葉輪采用質(zhì)點及殼單元。

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析即結(jié)構(gòu)的固有動力特性分析，用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型(見圖1)，是其他動力分析的基礎(chǔ)。本模型計算結(jié)果如表1所示。

表1 模態(tài)分析結(jié)果 Hz

3 隨機波浪載荷分析

對于海上工作環(huán)境，波浪荷載對結(jié)構(gòu)的影響非常重要，由于波浪為隨機的動載荷，本節(jié)采用功率譜密度(PSD)分析方法[2]計算結(jié)構(gòu)在假定波浪載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

從圖2中可以看出，功率譜密度曲線出現(xiàn)兩個極值。其中第一個極值點出現(xiàn)的原因是因為所假定的波浪譜在該頻率處出現(xiàn)極值；第二個極值點出現(xiàn)的原因是因為該處頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致，從而引起結(jié)構(gòu)共振，響應(yīng)出現(xiàn)極大值，在實際工程中這種情況是不允許出現(xiàn)的。

4 模態(tài)仿真分析的參數(shù)敏感性

有限元模型是對真實情況的模擬，其中不可避免會采用各種假定，而不同的假定會得出不同的結(jié)果，下面研究本模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)對模態(tài)分析結(jié)果的影響。

4.1 葉輪

1)葉輪位置。

表1中的計算結(jié)果是將葉輪作為集中質(zhì)量的計算結(jié)果，下面將葉輪按實際情況建模，有限元模型如圖3所示，考慮對稱性，將葉輪位置分為4個不同角度進行模態(tài)分析。

從表2中可以看出，葉輪位置對整體結(jié)構(gòu)的固有頻率基本無影響，對整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析僅需考慮一種葉輪位置即可。

表2 模態(tài)分析結(jié)果 Hz

如圖4所示為模型一的幾個典型振型，從圖4中可以看出，大部分振型以葉片振動為主，因此不易識別以基礎(chǔ)振動為主的振型。同時對比表1中的1階振型和表3中的16階振型，二者振型相近，頻率相差也較小，說明風(fēng)機葉片對以基礎(chǔ)振動為主的頻率影響不大。

2)葉片質(zhì)量分布。

下面考慮葉片質(zhì)量分布對結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果的影響，將葉片部分質(zhì)量移到葉輪質(zhì)心位置，結(jié)果如表3所示。

表3 同一振型結(jié)果對比 Hz

從表3中可以看出，葉片具體質(zhì)量分布對以基礎(chǔ)振動為主的頻率影響不大，即可以將葉片質(zhì)量全集中在葉輪質(zhì)心位置。

3)葉片剛度。

由于葉片實際形狀較為復(fù)雜，因此對圖3所示模型中的葉片做了簡化建模，下面考慮調(diào)整葉片剛度，分析其對結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果的影響，仍取同一振型進行比較，如表4所示。

表4 不同剛度結(jié)果對比 Hz

從表4中可以看出，增大葉片剛度對以基礎(chǔ)振動為主的頻率影響不大。

4.2 土體m值

目前對土體m值的選定仍是以經(jīng)驗為主，并且有較大的浮動范圍，作為施加在模型上的邊界條件，其對結(jié)構(gòu)固有頻率也會有影響。以表1為參照，改變模型中土體m值，分析結(jié)果如表5所示。

表5 改變土體m值模態(tài)分析結(jié)果 Hz

從表5中可以看出，小幅改變土體m值對結(jié)構(gòu)的固有頻率影響不大，即對于土體m值在浮動范圍內(nèi)的影響可以忽略。

5 結(jié)語

本文以導(dǎo)管架基礎(chǔ)為例，對海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的動力特性進行了數(shù)值模擬，并且分析了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的參數(shù)敏感性，進而得到了以下結(jié)論，可以為海上風(fēng)電基礎(chǔ)的動力仿真分析提供參考借鑒：

1)當(dāng)外界荷載頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率一致時，引起結(jié)構(gòu)共振，響應(yīng)出現(xiàn)極大值，在實際工程中應(yīng)予以避免。

2)仿真分析中葉輪位置、葉片質(zhì)量分布、葉片剛度對風(fēng)電基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)的固有頻率影響不大，可以將其簡化為集中質(zhì)量進行分析。

3)仿真分析中土體m值對風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的固有頻率影響在容許范圍以內(nèi)。

[1] GL Wind 2005, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines[S].

[2] 尚曉江,邱 峰,趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006：315-340.

The dynamic simulation sensitivity analysis of offshore wind turbine jacket foundation

Yu Lixin Zhuo Yang Wu Feng

(ShanghaiHarbourEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200032,China)

Based on jacket foundation, analyses the dynamic characteristics of offshore wind turbine foundation by the numerical simulations, and research the sensitivity of the parameters such as impeller, the soil parameters, element type on structural modal analysis. Studies have shown that structure resonate should be avoided in the practical engineering, and in the simulation, the influence of the parameters above on the natural frequency of the whole wind turbine foundation is under the allowable range.

jacket foundation, modal analysis, sensitivity analysis

2015-06-29

俞立新(1973- )，男，高級工程師； 卓 楊(1982- )，男，高級工程師； 吳 鋒(1978- )，男，教授級高級工程師

1009-6825(2015)25-0035-02

TU311.3

A