近海單樁風機在波浪地震聯合作用下的動力特性分析

榮維棟，李洪斌

(大連理工大學深海工程研究中心，遼寧大連116024)

世界上很多國家都非常重視對風能的利用.風能作為一種可再生的清潔能源，在使用過程中不會產生任何對環境和人類有害的物質，成為綠色能源的代表.風力發電是一種對風能進行有效開發利用的技術.為了提高對風資源的利用效率，實現規模化利用風能，海上風力發電成為未來風力發電的必然趨勢.

從全世界范圍來看，歐洲等西方國家在風力發電領域發展較為迅速，同時也掌握著該領域較為成熟的核心技術，無論是海上風電場的建設還是風電機組的研發，都處于世界領先水平.有統計資料顯示，截至2007年，全球已建成約30座海上風電場，基本分布在丹麥、英國等歐洲國家.中國的海上風電開發處于起步階段，但由于近年來國家對該領域的重視，使得中國的風電產業發展迅猛，逐步在江蘇如東、浙江岱山、河北黃驊以及上海等地建立了海上風電場，實現對近海豐富風能資源的利用［1］.

海上風力發電機結構不同于普通陸地上使用的發電機，其工作環境更為惡劣.海上風機在工作過程中，經常受到波浪、流、冰等環境荷載的作用，同時，我國地處世界上兩個最活躍的地震帶，屬于多地震國家，因此，在海上風機設計建造過程中，也要考慮地震這種極端環境荷載的影響.當地震發生時，海上風機同時還會受到波浪的作用，因而有必要研究海上風機在波浪和地震聯合作用下的結構動力響應，為工程設計提供參考.

盡管許多學者對該領域進行了有意義的研究，但由于海上風電屬于較為新興的產業，在這方面的研究并不很完善.文獻［2］中針對風荷載和地震荷載聯合作用，對海上風力發電機進行了結構動力響應研究;文獻［3］中利用鋼球減震裝置對海上風機地震響應進行了試驗研究;文獻［4］中對65 kW風力發電機地震動分析結構進行了試驗和數值研究;文獻［5］中基于“槳葉-塔體-基礎”一體化有限元模型，研究了風力發電高塔系統地震動力響應分析問題.以上研究均未涉及波浪與地震聯合作用.文獻［6］中雖然針對地震與波浪聯合作用，對空間導管架式海洋平臺結構的動力響應特性進行了研究，但由于海上風機與海洋平臺在結構形式上的差別，其研究成果是否適用于海上風機結構，也有待驗證.因此，文中針對海上風機結構在波浪和地震聯合作用下的動力響應進行深入研究.

1 海上風機模型建立

文中采用由美國國家能源部可再生能源實驗室2009年編寫的《Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development》中的典型風機原型，并根據研究內容對其局部結構進行簡化處理.該海上風力發電機的額定動率為5MW，相關結構參數如表 1［7］.

由于文中研究近海單樁風機整體結構在外加激勵下的動力響應，不涉及細部結構分析，因而將3個葉片簡化為薄壁長方體結構，將輪轂簡化為實心圓柱體，將機艙簡化為實心長方體塊，以此來模擬風機頂部的質量分布.由于文中并不研究樁土相互作用對結構響應的影響，因而基底采用剛性固定約束形式.利用有限元分析軟件ANSYS建立風機整體結構簡化模型(圖1).

表1 NREL 5 MW風機結構參數數據Table 1 Structure parameters of the NREL 5 MW wind turbine

圖1 海上風機有限元模型Fig.1 FEM model of the offshore wind turbine

不考慮葉片、輪轂和機艙等上部結構具體形狀，僅模擬質量分布，故采用SOLID45單元進行建模;塔筒變截面部分采用BEAM189單元進行模擬，高程87.6 m，底部外徑6 m，壁厚0.035 m，頂部外徑3.87m，壁厚0.025m，外徑和壁厚自下而上均呈線性遞減;塔筒水中的部分采用PIPE288單元進行模擬，高程 25 m，外徑 6 m，壁厚 0.035 m.PIPE288單元可以通過OCTYPE，OCDATA等系列命令來方便地定義波浪、流等海洋環境荷載［8］.

對以上有限元模型進行模態分析可以得到結構的前2階固有頻率(表2).

表2 結構固有頻率Table 2 Structure natural frequency

2 數值分析

2.1 工況選取

文中選取兩種水深的工況，分別為低水位d=15 m，高水位d=25 m，其中對于低水位情況，施加1999年臺灣省集集東西向地震波和天津醫院南北向地震波;高水位情況，施加1999臺灣省集集東西向地震波、天津醫院南北向地震波和EL-Centro地震波.波浪荷載根據結構的固有頻率及實際情況選取.中海況正弦波浪、中海況隨機波浪、高海況正弦波浪、高海況隨機波浪4種海況波浪要素見表3.其中，高海況波浪均為極端波浪荷載.荷載工況組合如表4所列.

表3 各海況波浪要素Table 3 Parameters of different wave

表4 荷載工況組合Table 4 Load cases

3種地震激勵的加速度時程如圖2～4，其中，集集東西向地震波的加速度峰值為1.5m·s-2;天津醫院南北向地震波的加速度峰值為1.49 m·s-2;ELCentro地震波加速度峰值為0.8m·s-2.

2.2 計算結果分析

利用有限元分析軟件ANSYS建立海上風機的有限元模型.對于波浪荷載，正弦波浪基于斯托克斯五階波理論計算波浪力;隨機波浪基于線性隨機波理論通過有義波高、譜峰周期、Gamma值等參數的輸入來計算波浪力.以上波浪力均使用ANSYS軟件自動計算并施加到結構體.對于地震激勵，則采用加速度時程方式施加給結構.

圖2 集集東西向地震波加速度時程Fig.2 Time history of CHICHI-WE earthquake acceleration

圖3 天津醫院南北向地震波加速度時程Fig.3 Time history of Tianjin-NS earthquake acceleration

圖4 EL-Centro地震波加速度時程Fig.4 Time history of EL-Centro earthquake acceleration

對于海上風力發電機而言，在外載荷作用下，結構的頂端位移、頂端加速度、基底應力、基底彎矩最能體現出其安全性能，因而，對以上4種計算結果進行對比分析.由于篇幅有限，工況較多，僅以工況1和工況4、工況1和工況8、工況1和工況5的對比給出時程曲線，其他工況的結構響應極值見表5.

如表4所列，工況1為集集地震單獨作用，工況4為集集地震與中海況正弦波浪聯合作用，由圖5可以發現，地震波浪聯合作用較地震單獨作用，結構的頂端位移、頂端加速度、基底應力和基底彎矩均有不同程度的增加.由于波浪的存在，波浪力對結構底部的作用更為明顯，因而基底應力和基底彎矩的增加幅度要大于頂端位移和加速度.

圖5 工況1與工況4計算結果對比Fig.5 Comparison of dynamic response of case 1 and case 4

如表4所列，工況8為臺灣集集地震與高海況正弦波浪聯合作用，由圖6可以發現，集集地震波浪聯合作用與地震單獨作用相對比，結構頂端位移、頂端加速度、基底應力和基底彎矩均有較大程度的增加，這主要是由于水位升高，作用在結構上的波浪力增大，而且海況為極端海況，說明在極端海況下，波浪引起的結構響應是不容忽視的，在結構設計中要給予該種情況足夠的重視.

圖6 工況1與工況8計算結果對比Fig.6 Comparison of dynamic response of case 1 and case 8

如表4所列，工況1為集集地震單獨作用，工況5為集集地震與中海況隨機波浪聯合作用，由圖7可以發現，兩工況的比較結果與圖5類似，地震與隨機波浪聯合作用較地震單獨作用，結構的頂端位移、頂端加速度、基底應力和基底彎矩均有不同程度的增加.由于隨機波浪的存在，波浪力對結構底部的作用明顯，因而基底應力和基底彎矩的增加幅度也較大.由圖5，7可知，規則波浪和線性隨機波浪與地震聯合作用，對結構響應的影響效果是一致的.

圖7 工況1與工況5計算結果對比Fig.7 Comparison of dynamic response of case 1 and case 5

為了驗證文中數值計算結果的正確性，現以工況1的基底應力為例，將ANSYS軟件數值計算結果與筆者在大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室抗震分室進行的模型試驗數據結果進行比較，如圖8.可以看出，數值結果與試驗數據吻合較好，誤差范圍在10%以內.模型試驗結果將另撰他文，在此不再詳述.

圖8 數值計算結果與模型試驗結果對比Fig.8 Comparison of result between FEM and experiment

表5給出了各工況下，結構響應的最值，并進行對比分析.由表5可知，天津波與正弦波浪或隨機波浪聯合作用較天津波單獨作用，結構的4種響應均增加，其中基底應力和彎矩的增加幅度較大，主要由于波浪力對下部結構作用較為明顯.在線性隨機波理論的前提下，規則波和隨機波與地震聯合作用，對結構響應的影響效果是一致的.同時，EL-Centro地震與正弦波浪或隨機波浪聯合作用較地震單獨作用時，頂端的結構響應出現減小的狀況，這主要是由于波浪力峰值與地震加速度峰值存在相位差，兩者作用下的響應相互抵消，導致結構響應不增反降，但由于波浪力對水中結構的作用，基底應力和彎矩的峰值有較大幅度增加.由此可見，不同地震輸入、不同波浪要素下結構響應的增減情況是不同的.

表5 各工況下結構響應極值Table 5 Structure peak response of different cases

3 結論

針對典型海上風機結構，利用ANSYS建立有限元模型，并根據結構固有特性和實際情況選取地震加速度激勵和波浪荷載，進行了地震與波浪聯合作用下結構動力響應分析.分析結果表明:對于海上風機這種高聳結構，在地震發生的同時，波浪荷載相對較小時，結構頂部響應主要由地震激勵引起，波浪所引起的響應較小;但在惡劣海況下，波浪引起的結構響應較大，要充分重視;波浪的存在，對結構下部尤其是基底的響應影響較大;當地震和波浪聯合作用時，由于二者的峰值之間存在相位差，因而也會出現結構響應減小的情況.因此，在進行海上風機設計時，有必要考慮地震與波浪聯合作用的情況.

References)

［1］ 倪云林，辛華龍，劉勇.我國海上風電的發展與技術現狀分析［J］.能源工程，2009(4):21-25.Ni Yunlin，Xin Hualong，Liu Yong.Analysis on the development and present technology status of offshore wind power in China［J］.Energy Engineering，2009(4):21 -25.(in Chinese)

［2］ Osamu KIYOMIYA，Tatsuomi RIKIJI Pieter HAJM.Dynamic response analysis of onshore wind energy power units during earthquakes and wind［C］∥International Offshore and Polar Engineering Conference.Kitakyushu Japan:International Society of Offshore and Polar Engineers，2002.

［3］ Li Jie，Zhang Zili，Chen Jianbing.Experimental study on vibration control of offshore wind turbines using a ball vibration absorber［J］.Energy and Power Engineering，2012(4):153-157.

［4］ Prowell I，Veletsos M，Elgamal A，et al.Experimental and numerical seismic response of a 65 kW wind turbine［J］.Journal of Earthquake Engineering，2009，13(8):1172-1190.

［5］ 賀廣零，周勇，李杰.風力發電高塔系統地震動力響應分析［J］.工程力學，2009，26(7):72-77.He Guangling，Zhou Yong，Li Jie.Seismic analysis of wind turbine system［J］.Engineering Mechanics，2009，26(7):72 -77.(in Chinese)

［6］ 何曉宇，李宏男.地震與波浪聯合作用下海洋平臺動力特性分析［J］.海洋工程，2007，25(3):18-25.He Xiaoyu，Li Hongnan.Dynamic analysis of offshore platform under seismic action and wave action［J］.The Oceam Engineering，2007，25(3):18 -25.(in Chinese)

［7］ Jonkman J，Butterfield S，Musial W，et al.Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development［R］.NREL/TP -500 - 38060.Goloen Colorado，USA:National Renewable Energy Laboratory，2009.

［8］ 楊樹耕，藤明清，孟昭瑛，等.有限元分析軟件ANSYS在海洋工程中的應用(續1)［J］.中國海洋平臺，2000，15(5):40 -46.