基于Excel VBA的近海風機基礎監測系統的設計

張永利 趙北辰

1.中原工學院建筑工程學院，中國·河南 鄭州 451191

2.中國水利水電第十一工程局有限公司，中國·河南 鄭州 450001

1 引言

在陸上建風電場，會受到的一些限制，如土地資源有限、公眾視覺的干擾、噪聲污染、對陸地風景的破壞等。而在海上建風電場則不占用陸上土地，受環境制約少，而且海上平均風速較高，離岸10km 的海上風速比沿岸陸上高約25%[1]。但是，與陸上相比，海上風電機組必須牢固地固定在海底，其支撐結構必須更加堅固，加之建設和維護工作需要使用專業船只和設備，所以海上風電的投資成本要高于陸上，一般是陸上風電投資成本的2～3 倍，其中基礎安裝費用約占總成本的30%[2-6]。如何降低基礎安裝費用是當前近海風電場建設所面臨的主要挑戰。近海風機結構的失效破壞不僅會造成重大的經濟損失，還可能造成嚴重的社會影響。因此，對近海結構進行有效、可靠、實時的健康監測，對于確定損傷位置和損傷程度，估計其殘余壽命，安排一定的工程維修等都非常重要。

風機服役期間，近海風機基礎的在線荷載測量可用來進行結構的荷載監測及剩余壽命評估。基于測量數據，可實現整體系統功能的優化，而且一旦遇到故障，這些數據還可用于查明引起故障的內在原因。另外，每個風機的實時荷載信息還有助于日常的維護和修理方案的制定，降低運行費用，改善可靠性。論文以EXCEL 為開發平臺，融合了FlexPDE、ANSYS 兩款軟件各自強大的分析功能，設計出了一款十分簡潔實用的軟件。利用該軟件可以實現土體狀態及樁體狀態評估，在樁體狀態評估中可以考慮海床失穩的影響，能夠更為真實地模擬樁體的實際受力情況。

2 監測系統設計的原理

2.1 監測系統設計思想

近海風機結構系統包括如下組成部分：葉輪、輪轂、塔架、機械和電力傳輸系統、運轉及安全系統、基礎和下伏土[2]。顯然，基礎和下伏土對于結構的安全極為重要。海洋環境中，海床失穩的現象時有發生。海床失穩一般表現為土體發生位移，其極限形式為剪切破壞、液化和沖刷。土體發生位移，施加于樁體上，將會引起樁身內力和變形的增加，至一定程度，樁體就會發生破壞。因此，近海風機基礎體系狀態評價需要進行兩方面的評估：土體狀態評估和樁體狀態評估，兩者是相互聯系的。基于這種思想，論文在Excel VBA 平臺上開發了近海風機基礎監測系統軟件，軟件開發流程如圖1所示。

圖1 軟件開發技術流程

2.2 FlexPDE 求解原理

FlexPDE 是美國PDE Solution 公司專門開發的一款完全整合的偏微分方程求解器，可用于求解線性和非線性偏微分方程（組）的數值解。該軟件最基本的工作原理是應用Galerkin 法將偏微分方程（組）描述的系統轉化為有限元模型進行求解，網格的數量和密度可以根據設定的誤差限度自動調整。對于非線性偏微分方程，FlexPDE 使用修正的Newton-Raphson 迭代法來求解[7]。

2.3 ANSYS 求解原理

海洋樁基樁-土結構體系的動力控制方程可以表示為如下形式：

其中，[M]、[C]、[K]分別為結構體系的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。和{u} 分別是節點的加速度、速度和位移向量，{F(t)} 表示結構的載荷向量[8]。ANSYS 程序根據結構所劃分的單元類型及相應的實常數和材料特性自動計算每個單元的質量矩陣、剛度矩陣及荷載向量，然后將各單元的矩陣和向量進行組裝，形成整個結構的質量矩陣[M]、剛度矩陣[K]和載荷向量{F(t)} 。NSYS 程序在進行結構分析中，每進行一次迭代會更新一次土體單元的剛度。阻尼矩陣[C]是根據程序輸入的α 和β 由下式計算：

接下來，ANSYS 將整個結構的矩陣及載荷向量代入到式（1）中，最后根據已知的初始條件和邊界條件，用Newmark 差分法求出各節點的動力響應值。

3 軟件設計界面介紹

該軟件主要由基本參數輸入模塊、模型建立與修正模塊、計算與評估模塊及圖形輸出與顯示模塊等四個模塊所組成，兼有建模、計算、結果顯示及自動生成word 報告文件等功能。不僅可以用于風機基礎系統的監測，還可以作為海洋樁基設計軟件來使用。下面分別對以上四個模塊做簡單說明。

3.1 基本參數輸入模塊

基本參數輸入模塊的主界面如圖2所示。海洋環境參數和地質參數可以由數據采集儀中導入或直接輸入，水深、波高、波周期等海洋環境參數將在對應的文本框中顯示出來，地質參數信息則在界面左下方的文本框中顯示。同時，程序自動將這些基本信息傳遞至指定的EXCEL 工作表中，波致海床失穩模型及樁基模型也隨之更新。

圖2 基本參數輸入模塊界面

3.2 模型建立與修正模塊

模型建立與修正模塊的主界面如圖3所示。基本參數輸入后，程序自動建立波致海床失穩模型及樁基模型。若需調整模型，則可以通過點擊鍵，打開模型文件，模型文件名在鍵右側的文本框中顯示。點擊鍵，對所選擇的模型文件進行編輯。圖3下端的兩個圖形文件框顯示的是波致海床失穩模型及樁基模型示意圖，用鼠標點擊圖形可以實現放大顯示。

圖3 模型建立與修正模塊界面

3.3 計算與評估模塊

圖4 計算與評估模塊界面

3.4 圖形輸出與顯示模塊

模型建立與修正模塊的主界面如圖5所示，圖形顯示的是程序的初始界面。點擊右側按鍵，左側圖形框中輸出相應的圖形，用鼠標點擊圖形可以實現放大顯示。

圖5 圖形輸出與顯示模塊界面

4 應用實例

論文以中國東海大橋海上風電場為背景進行設計研究。東海大橋海上風電場是亞洲第一座大型海上風電場，位于上海南匯近海海域，風電機組分布在東海大橋東側，總裝機容量100MW。預計年上網電量2.67 億度，可以滿足上海市40萬人的用電需求。場地海洋環境條件及地質條件見文獻[9]，在破碎波高（Hb=11.7m）下進行土體狀態的評估，圖6為分析得到的應力角等值線分布圖，圖7為土體總有效正應力沿深度的分布圖。從圖6可以看出，對于同一深度的土體，波峰處的應力角大于波谷處的應力角，波峰處土體將最先發生破壞，根據摩爾-庫倫強度準則及土體試驗資料，在波峰處約4m 深的土體接近剪切破壞。而圖7則顯示，約4m 深的土體已發生液化，兩者基本一致[9-15]。

圖6 應力角等值線的分布

圖7 土體有效正應力沿深度的分布

5 結語

近海風機結構監測是檢驗設計理論、計算方法、施工質量和材料性能的有效手段，從而形成規劃設計—施工建設—運行監測的循環系統，促進近海風能工業的不斷發展。論文基于Excel VBA 所開發的軟件將有助于實現近海風機基礎系統安全性的智能控制，有一定的應用價值。