三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的比較分析

李益 凡威

摘? 要：該文研究三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)分別對(duì)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)自振特性的影響。用有限元軟件ANSYS分別建立了三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)的5種有限元模型，分別從自下而上和自上而下2個(gè)方向分析了海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)、塔筒、葉片分別對(duì)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)自振特性的影響。結(jié)果表明葉片對(duì)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)自振特性的影響最大，塔筒的影響比較大，基礎(chǔ)的影響最小。

關(guān)鍵詞：三樁基礎(chǔ);塔筒;葉片;有限元模型;自振特性

中圖分類號(hào)：TK83? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，主要由2個(gè)部分組成，分別是下部的支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和上部的發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)。支撐結(jié)構(gòu)包括塔筒和三樁基礎(chǔ)，發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)由機(jī)艙、輪轂和葉片等組成。該文將三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)、塔筒和葉片3個(gè)結(jié)構(gòu)，然后分別研究基礎(chǔ)、塔筒、葉片對(duì)海上風(fēng)機(jī)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)自振特性的影響。

1 有限元模型

該文從自下而上和自上而下2個(gè)方向建立了有限元模型，分別為自下而上——基礎(chǔ)模型、基礎(chǔ)+塔筒模型和基礎(chǔ)+塔筒+葉片整體模型。自上而下——葉片模型、葉片+塔筒模型和基礎(chǔ)+塔筒+葉片整體模型。

1.1 基礎(chǔ)模型

該文研究的海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式為三樁門架式，主要由3個(gè)部分組成。三樁基礎(chǔ)、支撐平臺(tái)和導(dǎo)管架。三樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大部分埋入海床的土體之中，三樁基礎(chǔ)海床面以上與海水相接觸的部分采用管單元Pipe 59來模擬。海床面以下與土相互作用的部分采用管單元Pipe16來模擬。考慮三樁基礎(chǔ)與土體的相互作用，在三樁基礎(chǔ)底部進(jìn)行固定約束。支撐平臺(tái)由3根變矩形截面梁組成，采用梁?jiǎn)卧狟eam l88來模擬。導(dǎo)管架用管單元Pipe16來模擬。海上風(fēng)機(jī)的其他結(jié)構(gòu)如塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片由質(zhì)量單元Mass 21來模擬，簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，附加到支撐平臺(tái)的上部。

1.2 基礎(chǔ)+塔筒模型

塔筒形狀為變截面圓錐筒型，由3節(jié)塔段組成，塔筒厚度呈非線性變化。建立有限元模型時(shí)，忽略法蘭連接的影響，假定塔筒是連續(xù)的變截面梁結(jié)構(gòu)。塔筒用梁?jiǎn)卧狟eaml88來模擬，三樁基礎(chǔ)底部進(jìn)行固定約束。用質(zhì)量單元Mass21來模擬機(jī)艙、輪轂和葉片，簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，附加到塔筒的頂端。

1.3 葉片模型

將風(fēng)機(jī)葉片簡(jiǎn)化為中空的變矩形截面懸臂梁，采用梁?jiǎn)卧狟eam188模擬。將葉片賦予正交各向異性材料屬性，在塔筒和機(jī)艙的連接處將結(jié)構(gòu)固定約束。

1.4 葉片+塔筒模型

在葉片模型的基礎(chǔ)上，用梁?jiǎn)卧狟eaml88模擬了塔筒，建立葉片+塔筒的模型，將塔筒底部固定約束。

1.5 整體模型

如上所述，建立海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的整體有限元模型——基礎(chǔ)+塔筒+葉片模型。

2 計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用有限元軟件ANSYS的模態(tài)分析功能，對(duì)5種模型分別進(jìn)行自振特性分析，該文選取結(jié)構(gòu)的前五階自振頻率和固有振型進(jìn)行比較分析，結(jié)果如下。

基礎(chǔ)模型的前五階自振頻率和固有振型分別為：一階：1.402 Hz，三樁基礎(chǔ)沿y方向振動(dòng)，支撐平臺(tái)隨著振動(dòng)，振幅較大。二階：1.402 Hz，三樁基礎(chǔ)沿x方向振動(dòng)，支撐平臺(tái)隨著振動(dòng)，振幅較大。三階：4.096 Hz，三樁基礎(chǔ)繞z軸扭轉(zhuǎn)，支撐平臺(tái)隨著扭轉(zhuǎn)，振幅較大。四階：7.746 Hz，三樁基礎(chǔ)沿徑向彎曲，支撐平臺(tái)隨著沿z方向振動(dòng)，振幅較大。五階：10.562 Hz，三樁基礎(chǔ)沿切向彎曲，振幅較大。

基礎(chǔ)+塔筒模型的前五階自振頻率和固有振型分別為：一階：0.341 Hz，主要是塔筒沿y方向振動(dòng)，三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。二階：0.341 Hz，塔筒沿x方向振動(dòng)，三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。三階：1.777 Hz，三樁基礎(chǔ)沿y方向振動(dòng)， 塔筒隨著沿y方向彎曲。四階：1.777 Hz，三樁基礎(chǔ)沿x方向振動(dòng)， 塔筒隨著沿x方向彎曲。五階：3.524 Hz，三樁基礎(chǔ)沿x方向振動(dòng)， 塔筒沿x方向彎曲較大。

葉片模型的前五階自振頻率和固有振型分別為：一階：0.459 Hz，3葉片同時(shí)振動(dòng)，振動(dòng)幅度相同，振幅較大。二階：0.459 Hz，3葉片同時(shí)振動(dòng)，振動(dòng)幅度相同，振幅較小。三階：0.46 Hz，3葉片同時(shí)振動(dòng)，振動(dòng)幅度不同。四階：0.982 Hz，3葉片繞輪轂同步地旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，振動(dòng)幅度相同，振幅較大。五階：1.01 Hz，3葉片各自繞輪轂旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，右上振動(dòng)最大，振動(dòng)幅度不同。

葉片+塔筒模型的前五階自振頻率和固有振型分別為：一階：0.298 Hz，塔筒和葉片沿y方向振動(dòng)，塔筒振動(dòng)較小，振幅較小，葉片振動(dòng)明顯，振幅較大。二階：0.308 Hz，塔筒和葉片沿x方向振動(dòng)，塔筒振動(dòng)較小，振幅較小，葉片振動(dòng)明顯，振幅較大。三階：0.403 Hz，主要是葉片振動(dòng)，振幅較大，塔筒振動(dòng)很小。四階：0.445 Hz，主要是葉片振動(dòng)，各葉片振幅不同，塔筒振動(dòng)很小。五階：0.550 Hz，主要是葉片振動(dòng)，各葉片振幅不同，塔筒振動(dòng)很小。

基礎(chǔ)+塔筒+葉片整體模型的前五階自振頻率和固有振型分別為：一階：0.283 Hz，風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)沿y方向振動(dòng)，葉片振幅最大，塔筒振幅較大，三樁基礎(chǔ)振幅較小。二階：0.290 Hz，風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)沿x方向振動(dòng)，葉片振幅最大，塔筒振幅較大，三樁基礎(chǔ)振幅較小。三階：0.398 Hz，主要是葉片振動(dòng)，振幅較大，塔筒和三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。四階：0.443 Hz，主要是葉片振動(dòng)，各葉片振幅不同，塔筒和三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。五階：0.539 Hz，主要是葉片振動(dòng)，各葉片振幅不同，塔筒和三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。

3 結(jié)果分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。1）對(duì)比基礎(chǔ)模型和基礎(chǔ)+塔筒+葉片整體模型，整體模型的前五階自振頻率降低了90%左右。塔筒和葉片的增加，大大降低了整體結(jié)構(gòu)的自振頻率，表明塔筒和葉片是非常重要的結(jié)構(gòu)，對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的自振特性影響很大。2） 對(duì)比基礎(chǔ)+塔筒模型和基礎(chǔ)+塔筒+葉片整體模型，整體模型的前二階自振頻率降低了15%左右，第三、四、五階自振頻率降低80%左右。整體模型的前二階振型和基礎(chǔ)+塔筒模型相似，都主要表現(xiàn)為塔筒的振動(dòng)，第三階到第五階振型主要是葉片的振動(dòng)。用實(shí)際的葉片結(jié)構(gòu)代替質(zhì)量單元來模擬，降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振頻率，且降幅很大，表明葉片對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的自振頻率有很大的影響。3）與葉片模型相比較，整體模型的前五階自振頻率降低了40%左右，前五階振型相似，主要是葉片的振動(dòng)。塔筒和基礎(chǔ)的增加降低了風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的自振頻率，降低的幅值較大，表明塔筒和基礎(chǔ)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的自振頻率有一定的影響，但是對(duì)整體結(jié)構(gòu)的振型影響很小。4）整體模型與葉片+塔筒模型相比較，整體模型的前五階自振頻率降低了5%左右，前五階振型相同，都主要表現(xiàn)為塔筒和葉片的振動(dòng)。基礎(chǔ)的增加，雖然降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振頻率，但總體降低的幅度很小，表明基礎(chǔ)對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的自振特性的自振特性影響非常小。

4 結(jié)論

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出葉片和塔筒對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的自振頻率的影響很大，其中葉片的影響最大，塔筒的影響比較大，基礎(chǔ)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響非常小。

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