基于ANSYS的振蕩浮子式波能發電裝置主體結構的應力應變分析

宋文杰，劉 鵬，史宏達

（1.中國海洋大學 工程學院山東省海洋工程重點試驗室，青島 266100；2.山東省海洋環境監測技術重點試驗室 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，青島 266001）

0 引言

波浪能是開發歷史最悠久的海洋可再生能源，目前波浪能利用仍以波浪發電為主。波浪能發電利用型式按照技術復雜程度與開發時間大體可分為三類：振蕩水柱型、聚波越浪型和機械液壓型，其中機械液壓型裝置獲能結構與波浪直接接觸，通過機械或液壓方式進行能量傳遞與轉換。振蕩浮子式裝置屬機械液壓型，在歐洲被稱為第三代裝置，由于結構與波浪直接接觸捕能，因此能量轉換效率較高，可在不同水深條件（特別是超過40m的深水區）下工作[1]。

振蕩浮子波能發電裝置的能量轉換效率較高，意味著其在大波高條件下受到破壞的可能性也非常高。目前世界各國已經提出了超過4000種波浪能轉換技術，但是真正能經得起海浪考驗的發電裝置不多，不少裝置已損壞（岸式）或沉沒（船式）[2,3]。為了有效提高裝置的安全穩定性與可靠性，本文將引入臺風與風暴潮條件下的極限波浪條件，對發電裝置的主體結構進行應力應變分析。

1 振蕩浮子式波能裝置模型

1.1 振蕩浮子式波能裝置的三維模型

本文的研究對象為振蕩浮子式波浪能發電裝置，為了適應惡劣海況的需求，裝置設計了浮子升沉機構，當遭遇極端惡劣海況時，該機構將浮子提升至高處，脫離水面，保護其不會被破壞。該裝置還設計有潮位自適應裝置，使得浮子能夠隨著潮位的變化而保證其能夠自由浮動于海面。該裝置的三維模型圖如圖1所示。

圖1 振蕩浮子式波能裝置的三維模型圖

1.2 波浪力數學模型

根據弗汝德-克雷洛夫假定法[4]，作用在浮子上波浪為：

其中px、pz為浮子表面上任一點未受擾動入射波產生的波壓強在x軸和z軸上的分量；CH、CV分別為水平繞射系數和垂直繞射系數；S為浮子浸沒在流體中的總表面積；dS為浮子微元表面積。

波浪產生的波壓力p可以表示為：

式中各物理量意義分別為：p為任一點波壓力（N/m3），ρ為海水密度，g為重力加速度，h、H分別為海水水深和波高，k為波數，λ為波長，z為浮子起伏位移，ω為波浪圓頻率。將上式(5)帶入式(3)、式(4)進行積分，再根據繞射系數修正即可得到作用在浮體上的波浪力。

1.3 主體結構有限元模型

振蕩浮子式波浪能發電裝置通過浮子上下運動帶動固定于其上方的液壓缸運動，將波浪能轉化為液壓能，從而帶動連接于液壓缸的液壓馬達轉動，最終通過與液壓馬達連接的發電機轉化為電能。該裝置的主體受力結構為支撐立柱，作用于立柱上的力大部分來自于通過浮子傳遞的波浪力，因此本文主要針對立柱和浮子進行結構強度分析，立柱與浮子的三維模型如圖所示。立柱高度為9m，上下兩端固定，浮子在立柱上做升沉運動。主體結構包括支撐立柱和浮子的模型如圖2所示。

圖2 立柱與浮子三維模型

利用Pro/E三維軟件與ANSYS軟件的接口，將三維模型導入到ANSYS軟件中處理后進行分析。ANSYS Workbench支持殼和實體的混合裝配體[5]的計算，并且能夠支持邊緣接觸，包括實體邊的接觸或者是殼面的接觸；根據主浮體的實際加工情況以及軟件的特點，將有些接觸行為定義為綁定類型，另一些定義為不分離類型[6]。

2 有限元計算結果分析

2.1 計算參數確定

本文主要考察了高、中、低三種水位情況下，波浪力作用下的立柱與浮子的應力應變特性。各工況狀態參數如表1所示。有限元分析中立柱及浮子的材料選取結構鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為235MPa。

表1 各工況參數表

2.2 計算結果分析

通過建立立柱及浮子的有限元模型，并施加邊界條件，計算得出各種工況條件下的應力應變情況，如圖3～圖5所示。

圖3 高潮位時立柱與浮子的應力應變情況

圖4 中潮位時立柱與浮子的應力應變情況

圖5 低潮位時立柱與浮子的應力應變情況

由圖3可以看出，在高潮位時，最大應力出現在立柱頂端靠近固定法蘭處，最大應力值約為35.5MPa，最大位移出現在浮子與立柱的連接處，位移量約為2.8mm，最大應變出現在立柱頂端靠近固定法蘭處處，最大應變值約為0.18mm。

由圖4可以看出，在中潮位時，最大應力和最大應變均出現在淹沒于海水中的立柱低端靠近固定法蘭處，最大應力和應變值分別約為37.7MPa和0.19mm，最大位移出現在浮子與立柱的連接處，位移量約為4mm。

由圖5可以看出，在低潮位時，最大應力和最大應變位置與中潮位相同，亦均出現在淹沒于海水中的立柱低端靠近固定法蘭處，最大應力和應變值分別約為35.3MPa和0.18mm，最大位移出現在浮子與立柱的連接處，位移量約為1.8mm。

綜上可以看出，各種工況的計算結果顯示立柱與浮子的應力應變均較小，高潮位時最大應力應變出現在立柱頂端，中底潮位時最大應力應變出現在立柱低端，同時浮子與立柱接觸區域的應力應變區域也存在較小的應力應變，該區域的位移量最大。因此，在發電裝置的設計及制造過程中，需要加強立柱與上層平臺及下層潛浮體的連接，同時在浮子與立柱的連接處進行加強設計，從而保證以上區域的強度。

3 結論

目前，波浪能發電裝置在海上實際應用時，如何生存是其面臨的最大問題。而波浪能裝置海上生存的前提條件是其主體結構具有足夠高的強度，以防止在惡劣海況條件下，裝置被破壞。本文通過建立主體結構的有限元模型，并加載惡劣海況下的波浪邊界條件，分析了主體結構的強度可靠性，分析結果表明：在文中提到的各種海況條件下，主體結構的應力應變均較小，最大應力應變區域出現在立柱兩端與上下平臺的連接處，因此為了加強裝置的可靠性，實際設計及制造過程中，需要加強該區域的強度，保證裝置安全。

[1]Antonio F.de O.Falcao.Wave energy utilization:A review of the technologies.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010(14):899-918.

[2]王貴彪,李德堂,謝永和.波浪發電裝置浮筒及導向柱結構強度分析[J].中國造船,2012,53(4):157-163.

[3]劉延俊,鄭波,孫興旺.漂浮式海浪發電裝置主浮體結構的有限元分析[J].山東大學學報(工學版) ,2012,42(4):98-102.

[4]邱大洪.波浪理論及其在工程中的應用[M].北京海洋出版社,1985:97-99.

[5]蕭凡.ANSYS軟件在井架結構動態特性分析中的應用[J].山西建筑,2008,34(34):72-73.

[6]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2010.