基于SoIidworks simuIation的高樁承臺基礎環的有限元分析

賈曉輝，孫 輝

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

基于SoIidworks simuIation的高樁承臺基礎環的有限元分析

賈曉輝，孫 輝

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

文章以中交三航局響水近海風電場項目為參照工程實例，詳細介紹了通過Solidworks simulation對高樁承臺基礎的基礎環進行有限元分析的情況，重點對基礎環，基礎環的有限元分析等情況進行了描述，為國內從事海上風電工程的設計單位，施工單位和有限元分析愛好者增加了更好的交流和學習的機會。

海上風電；高樁承臺；基礎環；simulation；有限元分析

江蘇響水近海風電場項目由中國三峽投資、中交三航局（江蘇分公司）承建，本工程總裝機容量為202MW，共計55臺風電機組，布置37臺單機容量4.0MW的西門子風電機組（35臺基礎環基礎，2臺預應力螺栓試驗基礎）、18臺單機容量3.0MW的金風風電機組（16臺無過渡段式單樁基礎，2臺負壓桶式試驗基礎），風電場配套設置一座位于場區中部的100m高自立式海上測風塔、一座220kV海上升壓站和一座220kV陸上升壓站。西門子風電機組均采用高樁承臺基礎，其中基礎環基礎的基礎環及其受力情況將在本文中進行詳細介紹。

1　基礎環介紹

基礎環，直徑5.042m，高度8.19m，重量64.7t，由上法蘭、下法蘭、筒體和加強環板組成：

上法蘭：厚度126mm，材質Q345E-Z35。 下法蘭：厚度70mm，材質Q345E-Z35。

筒體：厚度54mm，材質Q345D-Z25。 加強環板：厚度40mm，材質Q345D-Z25。

圖1　基礎環法整體鍛造

基礎環法蘭為整體鍛造（見圖1），處理狀態為正火和回火，鍛件100%超聲波探傷（UT）合格，基礎環所有焊縫均為全熔透，焊縫質量等級為一級，檢查要求100%超聲波探 傷（UT）和100%磁粉探傷（MT）合格。

基礎環通過加強環板與基礎樁體的十字板焊接連接，通過上法蘭與下部塔筒進行螺栓連接，在風機整體中起承載和紐帶作用，同時也是焊接的困難點，所以基礎環的有限元分析顯得尤為重要。

2　基礎環有限元分析

有限元分析可分為靜態分析、動態分析、疲勞分析、散熱分析、流體動力學分析和其它分析，考慮到基礎環實際情況，本文只采用靜態分析。

有限元分析順序可分為：模型簡化、前處理、后處理。

2.1模型簡化

（1）特征簡化：基礎環倒角不影響整體分析，進行簡化。

（2）零件簡化：基礎環無零件需要簡化。

2.2前處理

（1）干涉檢查：無干涉。

（2）分析類型：靜應力分析

（3）材料加載：基礎環材質都為Q345低合金高強度鋼，其彈性模量為210000N/mm2，中泊松比為0.28，質量密度為7700kg/m3，屈服強度為620.42N/mm2。

（4）夾具：考慮到基礎環實際情況，對下法蘭的下表面進行法向約束；又因其符合應力云圖對稱分布：①三維模型對稱②材料對稱③邊界條件對稱，所以對基礎環進行1/8簡化操作，簡化后的切面進行約束，有兩種方法：①周期對稱的對應面約束②在平面上的單邊約束；簡化后存在剛性位移問題，可利用軟彈簧或慣性卸除。

（5）連結：兩種方法：①接觸面組：接觸前先通過配置進行爆炸視圖操作，以便于相觸面組的選擇，基礎環的相觸面組有兩組，分別為上法蘭的下表面和筒體的上表面、下法蘭的上表面和筒體的下表面，接觸類型為接合。②零部件相觸：選擇全局接觸，接觸類型為接合，網格選擇兼容。

（6）外部載荷：考慮到基礎環實際情況，對上法蘭的上表面進行法向施力；

基礎環除了受到上部塔筒、機艙和葉輪的重量，還受到吊裝時平衡梁和上部吊架的重量，所以最終合計最大承載重量940t，由G=m×g可知，施加的法向力F1=9212kN（經過上述1/8簡化操作，受力面也只要1/8，所以F2=1151.5kN），因為只有一個方向的力，所以按條目和按總數都可以（如果該力完全作用于基礎環，將導致嚴重變形）；因考慮到除了基礎環以外還有混凝土、樁基和十字板進行承載，所以添加F3=F2/2=575.75kN作為外部載荷，使得分析結果更合理、更具說服力。

（7）網格：網格參數選擇標準網格，網格大小為80mm，公差為4mm；經過初步的受力分析，可知基礎環應力集中點在筒體中部的橢圓處，所以對該處進行網格控制，為了減少軟件運行內存和節約運算時間，對橢圓處上下各50mm處進行分割處理，網格控制設置為按照零件大小使用或者網格大小為20mm，倍率（變化率）為1.1；通過調整網格大小，觀察應力云圖的von Mises應力值無變化，可知基礎環無應力奇異點；單元形狀為高寬比例，網格品質由圖2可知，設置合理；網格精度參照以下標準：

①應力最大值（紅色）完全包括兩個單元格。由圖1可知，滿足要求。②（單元應力-節點應力）/單元應力＜5%；

網格精度兩項標準都符合要求，說明網格設置合理。

2.3后處理（見圖2、圖3）

（1）當F2=1151.5kN時，各分析結果情況：

應力：von Mises應力 ：2.066×107N/m2＜ 屈服力為6.204×108N/m2合理；

圖2　橢圓孔網格控制受力圖

INT：應力強度（P1-P3） ：2.091×107N/m2；

位移：RFRES：合力反作用力 ：1.373×104N；

URES：合位移 ：4.304×106am；

應變：ESTRN：對等應變 ：8.394×10-5；

ENERGY：總應變能 ：3.791×10-2N.m；

最小安全系數：27.2；

（2）當F3=575.75kN時，各分析結果情況：

應力：von Mises應力 ：1.033×107N/m2＜ 屈服力為6.204×108N/m2合理；

INT：應力強度（P1-P3） ：1.045×107N/m2；

位移：RFRES：合力反作用力 ：6.867×103N；

URES：合位移 ：2.152×106am；

應變：ESTRN：對等應變 ：4.197×10-5；

ENERGY：總應變能 ：9.477×10-3N.m；

最小安全系數：54.41；

鑒于本文只對基礎環進行靜態分析，而非設計分析，所以不進行優化分析。

3　結束語

文章主要從對工程整體情況和風電機組概述的介紹，到對高樁承臺基礎基礎環的了解，再到對基礎環模型進行簡化、類型分析、材料加載、約束、載荷、接觸和網格離散化的學習，最后到對基礎環各個應力、位移和應變的敘述，具體的介紹了基礎環從建模到有限元分析過程中的各個難點和注意點，有利于我們對基礎環和有限元分析有更多的了解和學習，Solidworks simulation的有限元分析的應用在國內目前還處于摸索和積累經驗的階段，期望今后有關設計單位、施工企業和有限元分析愛好者多進行實踐和推廣，積累足夠的實踐研究數據，為以后Solidworks simulation的有限元分析的應用在海上風電工程或者各個領域的實踐應用提供可靠的依據和借鑒。

［1］陳超祥.SoIidworks SimuIation基礎教程（2014版）［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［2］陳永當，任慧娟，武欣竹.基于SoIidworks SimuIation的有限元分析方法［M］.西安：西安出版社，2011.

TU753.2

A

1671-3818（2016）09-0229-02