海上風電導管架基礎動力仿真敏感性分析

俞立新 卓 楊 吳 鋒

(中交上海港灣工程設計研究院有限公司，上海 200032)

海上風電導管架基礎動力仿真敏感性分析

俞立新 卓 楊 吳 鋒

(中交上海港灣工程設計研究院有限公司，上海 200032)

以導管架基礎為例，對海上風電基礎結構的動力特性進行了數值模擬，分析了葉輪、土體參數、單元類型等參數對結構模態分析的敏感性，研究表明在實際工程中應避免結構產生共振，而在仿真分析中，葉輪、土體參數等參數對風電基礎整體結構的固有頻率影響均在容許范圍內。

導管架基礎，模態分析，敏感性分析

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區域，使得近海風力發電技術成為近年來研究和應用的熱點。我國海上風電場的建設起步較晚，國內第一個海上風電項目——上海東海大橋100 MW海上風電示范項目已于2010年7月實現并網發電。

風機基礎作為海上風機的重要組成部分，為避免基礎結構發生共振，根據GL規范(Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines)[1]要求，整機(風電機組+塔筒+基礎+地基系統)固有頻率需滿足fR/f0,n>1.05或<0.95(其中，fR為風輪轉動激振頻率；f0,n為整機固有頻率)，整機固有頻率還需要考慮±5%的裕量，即綜合考慮10%的安全裕量。此外，海上風電基礎必須考慮波浪、水流等周期性往復荷載的作用，若這種動載荷與靜載荷相比不占主要地位，其影響可以忽略不計，只需做靜態計算；但是相對于陸上風機，海上風機往往更加大型化，受到的波浪、風機荷載甚至船舶撞擊等動載荷作用也較陸上更大，因此有必要針對海上風機的動力特性展開系統的研究。

1 計算模型

以海上風電導管架基礎為例建模，模型中樁采用管單元；斜撐、塔筒等部位采用梁單元；土體采用彈簧單元，彈簧剛度按m法取值；機艙采用實體單元；葉輪采用質點及殼單元。

2 結構模態分析

結構模態分析即結構的固有動力特性分析，用于確定結構的固有頻率和振型(見圖1)，是其他動力分析的基礎。本模型計算結果如表1所示。

表1 模態分析結果 Hz

3 隨機波浪載荷分析

對于海上工作環境，波浪荷載對結構的影響非常重要，由于波浪為隨機的動載荷，本節采用功率譜密度(PSD)分析方法[2]計算結構在假定波浪載荷下的結構響應。

從圖2中可以看出，功率譜密度曲線出現兩個極值。其中第一個極值點出現的原因是因為所假定的波浪譜在該頻率處出現極值；第二個極值點出現的原因是因為該處頻率與結構的固有頻率一致，從而引起結構共振，響應出現極大值，在實際工程中這種情況是不允許出現的。

4 模態仿真分析的參數敏感性

有限元模型是對真實情況的模擬，其中不可避免會采用各種假定，而不同的假定會得出不同的結果，下面研究本模型的結構參數對模態分析結果的影響。

4.1 葉輪

1)葉輪位置。

表1中的計算結果是將葉輪作為集中質量的計算結果，下面將葉輪按實際情況建模，有限元模型如圖3所示，考慮對稱性，將葉輪位置分為4個不同角度進行模態分析。

從表2中可以看出，葉輪位置對整體結構的固有頻率基本無影響，對整體結構的模態分析僅需考慮一種葉輪位置即可。

表2 模態分析結果 Hz

如圖4所示為模型一的幾個典型振型，從圖4中可以看出，大部分振型以葉片振動為主，因此不易識別以基礎振動為主的振型。同時對比表1中的1階振型和表3中的16階振型，二者振型相近，頻率相差也較小，說明風機葉片對以基礎振動為主的頻率影響不大。

2)葉片質量分布。

下面考慮葉片質量分布對結構模態分析結果的影響，將葉片部分質量移到葉輪質心位置，結果如表3所示。

表3 同一振型結果對比 Hz

從表3中可以看出，葉片具體質量分布對以基礎振動為主的頻率影響不大，即可以將葉片質量全集中在葉輪質心位置。

3)葉片剛度。

由于葉片實際形狀較為復雜，因此對圖3所示模型中的葉片做了簡化建模，下面考慮調整葉片剛度，分析其對結構模態分析結果的影響，仍取同一振型進行比較，如表4所示。

表4 不同剛度結果對比 Hz

從表4中可以看出，增大葉片剛度對以基礎振動為主的頻率影響不大。

4.2 土體m值

目前對土體m值的選定仍是以經驗為主，并且有較大的浮動范圍，作為施加在模型上的邊界條件，其對結構固有頻率也會有影響。以表1為參照，改變模型中土體m值，分析結果如表5所示。

表5 改變土體m值模態分析結果 Hz

從表5中可以看出，小幅改變土體m值對結構的固有頻率影響不大，即對于土體m值在浮動范圍內的影響可以忽略。

5 結語

本文以導管架基礎為例，對海上風電基礎結構的動力特性進行了數值模擬，并且分析了結構模態分析的參數敏感性，進而得到了以下結論，可以為海上風電基礎的動力仿真分析提供參考借鑒：

1)當外界荷載頻率與結構固有頻率一致時，引起結構共振，響應出現極大值，在實際工程中應予以避免。

2)仿真分析中葉輪位置、葉片質量分布、葉片剛度對風電基礎整體結構的固有頻率影響不大，可以將其簡化為集中質量進行分析。

3)仿真分析中土體m值對風電基礎結構的固有頻率影響在容許范圍以內。

[1] GL Wind 2005, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines[S].

[2] 尚曉江,邱 峰,趙海峰，等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社,2006：315-340.

The dynamic simulation sensitivity analysis of offshore wind turbine jacket foundation

Yu Lixin Zhuo Yang Wu Feng

(ShanghaiHarbourEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200032,China)

Based on jacket foundation, analyses the dynamic characteristics of offshore wind turbine foundation by the numerical simulations, and research the sensitivity of the parameters such as impeller, the soil parameters, element type on structural modal analysis. Studies have shown that structure resonate should be avoided in the practical engineering, and in the simulation, the influence of the parameters above on the natural frequency of the whole wind turbine foundation is under the allowable range.

jacket foundation, modal analysis, sensitivity analysis

2015-06-29

俞立新(1973- )，男，高級工程師； 卓 楊(1982- )，男，高級工程師； 吳 鋒(1978- )，男，教授級高級工程師

1009-6825(2015)25-0035-02

TU311.3

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