不同有限元單元建模下的海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)整體模態(tài)對(duì)比分析研究

田振亞　朱嶸華　張美陽(yáng)　徐清富　王恒豐

摘要：針對(duì)東南沿海某海上風(fēng)電項(xiàng)目，分別基ANSYS有限元軟件中的SOLID187實(shí)體單元和Shell181殼體單元，建立四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)ANSYS有限元模態(tài)分析模型，并進(jìn)行模態(tài)分析對(duì)比，結(jié)果表明在項(xiàng)目所在海洋地質(zhì)條件下，采用實(shí)體單元和殼體單元建立支撐結(jié)構(gòu)模型，所得到的模態(tài)分析一階固有頻率頻率分析結(jié)果相差在1%以內(nèi)，說(shuō)明在整機(jī)質(zhì)量、剛度分布確定的情況下，采用實(shí)體單元和采用殼體單元對(duì)整機(jī)的一階頻率影響很小，對(duì)于海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)整體頻率分析具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ);模態(tài)分析;實(shí)體單元;殼體單元

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0079—02

0引言

結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是海上風(fēng)電場(chǎng)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一，其主要通過(guò)分析得出海上風(fēng)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)固有頻率，與其他激勵(lì)頻率相比，整機(jī)系統(tǒng)的一階固有頻率越靠近激振頻率表，頻率的共振響應(yīng)越顯著。結(jié)構(gòu)頻率的設(shè)計(jì)范圍有“軟-軟”設(shè)計(jì)、“軟-剛”設(shè)計(jì)、“剛-剛”設(shè)計(jì)，目前風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)固有頻率主要是基于“軟-剛”設(shè)計(jì)，也即固有頻率落在“軟-剛”設(shè)計(jì)允許頻率范圍內(nèi)。海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率不同于陸上風(fēng)機(jī)，其邊界條件較多，除了考慮諸如附連水的質(zhì)量、海生物的附著等因素以外，海床地質(zhì)是影響海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)固有頻率的最重要因素之一。在很多情況下，由于基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性或者基礎(chǔ)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因，固有頻率往往處于“軟-剛”設(shè)計(jì)允許頻率范圍的邊界上，故頻率分析結(jié)果的合理性就顯得尤為重要。ANSYS軟件結(jié)構(gòu)建模采用較多的是實(shí)體單元和殼體單元，本文基于ANSYS軟件采用實(shí)體單元和殼體單元分別建模，得到整機(jī)的固有頻率，該分析結(jié)果對(duì)于海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)整體頻率分析具有一定的參考意義。

1模態(tài)分析基本原理

假設(shè)塔架、基礎(chǔ)、鋼管樁是一個(gè)連續(xù)的彈性體，并將質(zhì)量離散聚集于很多節(jié)點(diǎn)上，這些互連的質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題屬于動(dòng)力學(xué)多自由振動(dòng)問(wèn)題。由平衡方程、物理方程和幾何方程可導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的有限元基本方程：

2樁土相互作用

海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的整體模態(tài)分析，除了風(fēng)機(jī)、塔筒、基礎(chǔ)的剛度、質(zhì)量分布對(duì)固有頻率影響明顯以外，樁土作用對(duì)整體模態(tài)分析結(jié)果影響很大，因此，在進(jìn)行整體的模態(tài)分析時(shí)，需要考慮樁土的相關(guān)作用。本文的樁土的相關(guān)作用，采用API規(guī)范推薦的樁土作用“彈簧法”確定，該方法大量應(yīng)用于海洋平臺(tái)的樁土作用分析中，本文有限元計(jì)算模型考慮了泥面以下鋼管樁樁側(cè)和土體相關(guān)作用，即樁側(cè)摩阻力和位移關(guān)系的“T-Z”曲線，考慮鋼管樁樁端阻力和土體位移相互作用關(guān)系，也即“Q-Z”曲線，考慮樁的側(cè)向水平土抗力和位移關(guān)系的“P-Y”曲線。對(duì)于導(dǎo)管架基礎(chǔ)，樁土相關(guān)作用的豎向剛度對(duì)模態(tài)的影響較大。本文樁土簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

3不同單元類型模態(tài)分析

3.1風(fēng)機(jī)及支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

以東南沿海某海上風(fēng)電項(xiàng)目為例，場(chǎng)址水深為28.4m，風(fēng)機(jī)為4MW級(jí)海上風(fēng)機(jī)，風(fēng)輪直徑130m，機(jī)艙質(zhì)量為239t，塔筒共分為3段，變直徑為3.083～5.042m，壁厚范圍為17～40mm，機(jī)艙重心相對(duì)塔筒頂部法蘭垂直距離為1.69m。導(dǎo)管架底跨度26m，上部跨度14m，平臺(tái)頂高程14.84m，基礎(chǔ)頂法蘭高程23.84m，導(dǎo)管架腿直徑為1.35～2.56m，鋼管樁直徑為3m，機(jī)艙重心至平均海平面垂直距離98.07m。

3.2地質(zhì)參數(shù)

該場(chǎng)址的地質(zhì)條件主要為砂土和風(fēng)化花崗巖為主，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告揭示，泥面以下花崗巖層的風(fēng)化較為劇烈，基本上呈粗的砂土狀，總體而言，該場(chǎng)址的地質(zhì)條件較好。

本文參照表1所示地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合API規(guī)范建立樁土的水平抗力和位移“P-Y”曲線、樁側(cè)摩阻和位移的“T-Z”關(guān)系曲線，以及樁端阻和位移的“Q-Z”關(guān)系曲線，并在ANSYS軟件中，對(duì)應(yīng)建立鋼管樁不同位置的一系列的“彈簧”，用來(lái)模擬樁土之間的相互作用，以貼近實(shí)際項(xiàng)目的工程情況。

3.3分析模型

本文建立了塔筒、導(dǎo)管架以及樁土作用的整體有限元分析模型，考慮到導(dǎo)管架剛度較大，爬梯、靠船以及J型管等附件對(duì)整體的剛度影響不大，因此，本階段導(dǎo)管架模型暫且不考慮爬梯、靠船以及J型管等附件。塔筒和鋼管樁分別采用實(shí)體單元和殼體單元建模，采用實(shí)體建模時(shí)，塔筒及導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)采用SOLID187單元模擬;采用殼單元建模時(shí)，塔筒及導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)采用Shell181單元模擬。為了簡(jiǎn)化，采用質(zhì)量單元Mass21模擬風(fēng)機(jī)機(jī)艙重量以及塔筒內(nèi)附屬件。其中，機(jī)艙質(zhì)量點(diǎn)考慮了X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在灌漿段以下建立梁?jiǎn)卧M樁段，以3個(gè)不同方向的COMBIN39單元模擬樁土P-Y，T-Z，Q-Z相互作用。灌漿段和鋼管樁之間采用全耦合的方式。風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的整體模型如圖2所示。

4分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)分析，整機(jī)前5節(jié)階整機(jī)頻率對(duì)比如表2所示，其前5階振型對(duì)比如圖3～12所示。結(jié)果表明，采用ANSYS軟件中的SOLID187實(shí)體單元與Shell181殼單元建立的整體支撐結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算分析得到的整機(jī)頻率較為接近，1階頻率和2階頻率相對(duì)誤差均在1%以內(nèi)，3～5階頻率有所上升，最大達(dá)到3.51%，考慮到模態(tài)分析計(jì)算主要關(guān)注1階整機(jī)固有頻率，因此，1階頻率的分析結(jié)果對(duì)比更有意義，采用實(shí)體單元和殼體單元建模分析，得到的1階的支撐結(jié)構(gòu)固有頻率基本上保持一致。

振型方面，從前5階振型也可以看出，采用實(shí)體單元和殼體單元建模分析得到的風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)前5階振型基本保持一致，第1、2階振型主要是塔筒不同方向的擺動(dòng)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)擺動(dòng)不明顯;第3階振型塔筒呈現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)出現(xiàn)了明顯的扭轉(zhuǎn);第4、5振型塔筒在不同方向也出現(xiàn)擺動(dòng)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)擺動(dòng)不明顯?？傮w而言，采用實(shí)體單元和殼體單元建模分析得到的支撐結(jié)構(gòu)振型基本保持一致。

5結(jié)束語(yǔ)

在ANSYS軟件中考慮樁土的相關(guān)作用效應(yīng)，并進(jìn)行整體支撐結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是可行的。

由塔筒、導(dǎo)管架組成的支撐結(jié)構(gòu)采用ANSYS軟件中的SOLID187單元以及Shell181殼單元建模分析得到的一階固有頻率差異性在1%以內(nèi)，該分析結(jié)論可供其他類似的支撐結(jié)構(gòu)型式及場(chǎng)址地質(zhì)條件參考。采用ANSYS軟件中的SOLID187單元以及Shell181殼單元進(jìn)行整機(jī)建模，分析得到的前5階振型基本一致，差異不明顯。