基于ANSYS的振蕩浮子式波能發(fā)電裝置主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析

宋文杰，劉 鵬，史宏達(dá)

（1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院山東省海洋工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，青島 266100；2.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，青島 266001）

0 引言

波浪能是開發(fā)歷史最悠久的海洋可再生能源，目前波浪能利用仍以波浪發(fā)電為主。波浪能發(fā)電利用型式按照技術(shù)復(fù)雜程度與開發(fā)時(shí)間大體可分為三類：振蕩水柱型、聚波越浪型和機(jī)械液壓型，其中機(jī)械液壓型裝置獲能結(jié)構(gòu)與波浪直接接觸，通過機(jī)械或液壓方式進(jìn)行能量傳遞與轉(zhuǎn)換。振蕩浮子式裝置屬機(jī)械液壓型，在歐洲被稱為第三代裝置，由于結(jié)構(gòu)與波浪直接接觸捕能，因此能量轉(zhuǎn)換效率較高，可在不同水深條件（特別是超過40m的深水區(qū)）下工作[1]。

振蕩浮子波能發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效率較高，意味著其在大波高條件下受到破壞的可能性也非常高。目前世界各國已經(jīng)提出了超過4000種波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)，但是真正能經(jīng)得起海浪考驗(yàn)的發(fā)電裝置不多，不少裝置已損壞（岸式）或沉沒（船式）[2,3]。為了有效提高裝置的安全穩(wěn)定性與可靠性，本文將引入臺風(fēng)與風(fēng)暴潮條件下的極限波浪條件，對發(fā)電裝置的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

1 振蕩浮子式波能裝置模型

1.1 振蕩浮子式波能裝置的三維模型

本文的研究對象為振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，為了適應(yīng)惡劣海況的需求，裝置設(shè)計(jì)了浮子升沉機(jī)構(gòu)，當(dāng)遭遇極端惡劣海況時(shí)，該機(jī)構(gòu)將浮子提升至高處，脫離水面，保護(hù)其不會被破壞。該裝置還設(shè)計(jì)有潮位自適應(yīng)裝置，使得浮子能夠隨著潮位的變化而保證其能夠自由浮動于海面。該裝置的三維模型圖如圖1所示。

圖1 振蕩浮子式波能裝置的三維模型圖

1.2 波浪力數(shù)學(xué)模型

根據(jù)弗汝德-克雷洛夫假定法[4]，作用在浮子上波浪為：

其中px、pz為浮子表面上任一點(diǎn)未受擾動入射波產(chǎn)生的波壓強(qiáng)在x軸和z軸上的分量；CH、CV分別為水平繞射系數(shù)和垂直繞射系數(shù)；S為浮子浸沒在流體中的總表面積；dS為浮子微元表面積。

波浪產(chǎn)生的波壓力p可以表示為：

式中各物理量意義分別為：p為任一點(diǎn)波壓力（N/m3），ρ為海水密度，g為重力加速度，h、H分別為海水水深和波高，k為波數(shù)，λ為波長，z為浮子起伏位移，ω為波浪圓頻率。將上式(5)帶入式(3)、式(4)進(jìn)行積分，再根據(jù)繞射系數(shù)修正即可得到作用在浮體上的波浪力。

1.3 主體結(jié)構(gòu)有限元模型

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置通過浮子上下運(yùn)動帶動固定于其上方的液壓缸運(yùn)動，將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓能，從而帶動連接于液壓缸的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動，最終通過與液壓馬達(dá)連接的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。該裝置的主體受力結(jié)構(gòu)為支撐立柱，作用于立柱上的力大部分來自于通過浮子傳遞的波浪力，因此本文主要針對立柱和浮子進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，立柱與浮子的三維模型如圖所示。立柱高度為9m，上下兩端固定，浮子在立柱上做升沉運(yùn)動。主體結(jié)構(gòu)包括支撐立柱和浮子的模型如圖2所示。

圖2 立柱與浮子三維模型

利用Pro/E三維軟件與ANSYS軟件的接口，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中處理后進(jìn)行分析。ANSYS Workbench支持殼和實(shí)體的混合裝配體[5]的計(jì)算，并且能夠支持邊緣接觸，包括實(shí)體邊的接觸或者是殼面的接觸；根據(jù)主浮體的實(shí)際加工情況以及軟件的特點(diǎn)，將有些接觸行為定義為綁定類型，另一些定義為不分離類型[6]。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算參數(shù)確定

本文主要考察了高、中、低三種水位情況下，波浪力作用下的立柱與浮子的應(yīng)力應(yīng)變特性。各工況狀態(tài)參數(shù)如表1所示。有限元分析中立柱及浮子的材料選取結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235MPa。

表1 各工況參數(shù)表

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過建立立柱及浮子的有限元模型，并施加邊界條件，計(jì)算得出各種工況條件下的應(yīng)力應(yīng)變情況，如圖3～圖5所示。

圖3 高潮位時(shí)立柱與浮子的應(yīng)力應(yīng)變情況

圖4 中潮位時(shí)立柱與浮子的應(yīng)力應(yīng)變情況

圖5 低潮位時(shí)立柱與浮子的應(yīng)力應(yīng)變情況

由圖3可以看出，在高潮位時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱頂端靠近固定法蘭處，最大應(yīng)力值約為35.5MPa，最大位移出現(xiàn)在浮子與立柱的連接處，位移量約為2.8mm，最大應(yīng)變出現(xiàn)在立柱頂端靠近固定法蘭處處，最大應(yīng)變值約為0.18mm。

由圖4可以看出，在中潮位時(shí)，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在淹沒于海水中的立柱低端靠近固定法蘭處，最大應(yīng)力和應(yīng)變值分別約為37.7MPa和0.19mm，最大位移出現(xiàn)在浮子與立柱的連接處，位移量約為4mm。

由圖5可以看出，在低潮位時(shí)，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變位置與中潮位相同，亦均出現(xiàn)在淹沒于海水中的立柱低端靠近固定法蘭處，最大應(yīng)力和應(yīng)變值分別約為35.3MPa和0.18mm，最大位移出現(xiàn)在浮子與立柱的連接處，位移量約為1.8mm。

綜上可以看出，各種工況的計(jì)算結(jié)果顯示立柱與浮子的應(yīng)力應(yīng)變均較小，高潮位時(shí)最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)在立柱頂端，中底潮位時(shí)最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)在立柱低端，同時(shí)浮子與立柱接觸區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域也存在較小的應(yīng)力應(yīng)變，該區(qū)域的位移量最大。因此，在發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)及制造過程中，需要加強(qiáng)立柱與上層平臺及下層潛浮體的連接，同時(shí)在浮子與立柱的連接處進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，從而保證以上區(qū)域的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

目前，波浪能發(fā)電裝置在海上實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如何生存是其面臨的最大問題。而波浪能裝置海上生存的前提條件是其主體結(jié)構(gòu)具有足夠高的強(qiáng)度，以防止在惡劣海況條件下，裝置被破壞。本文通過建立主體結(jié)構(gòu)的有限元模型，并加載惡劣海況下的波浪邊界條件，分析了主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可靠性，分析結(jié)果表明：在文中提到的各種海況條件下，主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變均較小，最大應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域出現(xiàn)在立柱兩端與上下平臺的連接處，因此為了加強(qiáng)裝置的可靠性，實(shí)際設(shè)計(jì)及制造過程中，需要加強(qiáng)該區(qū)域的強(qiáng)度，保證裝置安全。

[1]Antonio F.de O.Falcao.Wave energy utilization:A review of the technologies.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010(14):899-918.

[2]王貴彪,李德堂,謝永和.波浪發(fā)電裝置浮筒及導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].中國造船,2012,53(4):157-163.

[3]劉延俊,鄭波,孫興旺.漂浮式海浪發(fā)電裝置主浮體結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) ,2012,42(4):98-102.

[4]邱大洪.波浪理論及其在工程中的應(yīng)用[M].北京海洋出版社,1985:97-99.

[5]蕭凡.ANSYS軟件在井架結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(34):72-73.

[6]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2010.