基于ANSYS平臺的某風(fēng)機(jī)耦合結(jié)構(gòu)動力分析

□劉　淵　□付　瑩（河南省水利第二工程局）

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基于ANSYS平臺的某風(fēng)機(jī)耦合結(jié)構(gòu)動力分析

□劉淵□付瑩（河南省水利第二工程局）

摘要：文章依托ANSYS軟件平臺，在多種地質(zhì)彈性模量的作用下，模擬了兆瓦級別的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有限元三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)，對風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動力影響分析。并探討了多種地質(zhì)彈性模量條件作用下對風(fēng)機(jī)塔架基礎(chǔ)的影響，得出了塔架與基礎(chǔ)的應(yīng)力位移特點(diǎn)，為以后類似研究提供參考。

關(guān)鍵詞：兆瓦級風(fēng)機(jī)；地震動力分析；多地質(zhì)彈模；塔架基礎(chǔ)；

0　引言

風(fēng)能很早就被人們所利用，起初主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等。到十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風(fēng)，使風(fēng)能的利用進(jìn)入了人們的視野。隨著無污染能源的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也迅速成長，并成為清潔能源的主力軍。我國的風(fēng)能發(fā)展是從近年來開始并不斷發(fā)展，兆瓦級發(fā)電機(jī)更是發(fā)展迅速。目前，在風(fēng)機(jī)研究方面，我國對風(fēng)機(jī)一體化耦合系統(tǒng)進(jìn)行了不斷研究也取得很大進(jìn)展，其中祝磊等[1]研究分析了葉片方位角對風(fēng)機(jī)、模態(tài)特征的影響，并發(fā)現(xiàn)其相互影響很小，但葉片對地震反應(yīng)變化較大。曹青、張燎軍[3]對P-效應(yīng)、地基及地基與塔架基礎(chǔ)與地基土壤的接觸使得塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出了各階自震頻率降低顯著，尤其高階頻率有很大的影響，同時(shí)塔架系統(tǒng)各地震響應(yīng)也增大明顯。在專家研究的基礎(chǔ)上，本文對實(shí)際工程進(jìn)行研究，確定了某風(fēng)電場區(qū)最大抗震設(shè)防烈度為7度，因此，抗震分析可不考慮其他因素的影響，僅將水平地震的作用進(jìn)行分析，本文選取寧河天津波數(shù)據(jù)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行動力時(shí)程分析，記錄時(shí)長為19.01 s，時(shí)間間隔0.01 s，加速度峰值為140.30 cm/s2。從記錄中每隔0.10 s取一個(gè)值，一共190個(gè)。對于設(shè)防烈度為7度的罕遇地震，最大加速度為221 cm/s2，將取出的190個(gè)地震波數(shù)據(jù)乘以系數(shù)1.56已達(dá)到7度罕遇地震的要求，將此地震波作為時(shí)程分析的輸入數(shù)據(jù)文件。

1　模型的建立

以某風(fēng)電場為工程背景，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土臺階擴(kuò)展獨(dú)立形式，建立了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼混組合結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。為消除邊界約束對基礎(chǔ)受力的影響，地基范圍深度取48 m，水平向取96 m。

2　計(jì)算的工況

風(fēng)機(jī)承受的主要荷載為風(fēng)機(jī)機(jī)組和塔架結(jié)構(gòu)的自重、葉片的空氣動力作用及風(fēng)機(jī)塔架表面的均布風(fēng)荷載?；A(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)將以上荷載轉(zhuǎn)化為水平力、豎向力、彎矩與扭矩的組合。由廠商和設(shè)計(jì)單位提供的資料，計(jì)算荷載采用極限狀態(tài)的工況下修正后的荷載：①水平合力Fx=558.23 kN；②豎向力Fz=2.56×103kN；③彎矩合力My=4.42×104kN·m；④扭矩Mz=841.19 kN·m；⑤風(fēng)機(jī)塔架基礎(chǔ)自重；⑥風(fēng)機(jī)塔架基礎(chǔ)上覆回填土采用梯形荷載進(jìn)行模擬，土質(zhì)的容重為18 kN/m3。風(fēng)機(jī)塔架基礎(chǔ)、地基材料特性見表1。

表1　材料的物理力學(xué)參數(shù)表

對組合荷載的施加方法采用剛性區(qū)域的處理方式。在基礎(chǔ)頂端創(chuàng)建一個(gè)無體積質(zhì)量單元，質(zhì)量點(diǎn)的位置位于上部塔架與基礎(chǔ)的重心軸上，采用無質(zhì)量剛性梁將質(zhì)量點(diǎn)與基礎(chǔ)鋼環(huán)頂端節(jié)點(diǎn)連接，耦合為剛性區(qū)域，程序自動將組合荷載傳遞到鋼環(huán)頂面的節(jié)點(diǎn)上。如圖2頂部所示。

文章選取的地基彈模范圍為50～104MPa，模擬地基從極軟到極硬的情況，各計(jì)算工況見表2。

表2　地基力學(xué)特性計(jì)算工況表

3　塔架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性分析

3.1變形和沉降分析

為研究不同地基彈性模型下，地震動力對風(fēng)機(jī)塔架變形規(guī)律的影響，對各工況塔筒進(jìn)行動力分析。選定塔筒頂部的A結(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)號為97610），通過A結(jié)點(diǎn)的y方向位移時(shí)程曲線圖看出，A結(jié)點(diǎn)y方向發(fā)生最大應(yīng)力時(shí)刻是11.00 s，可得出不同工況下塔筒3個(gè)方向的最大值位移圖，如圖1-4所示。

圖1　工況①～⑤X方向位移圖

圖2　工況①～⑤Y方向位移圖

圖3　工況①～⑤Z方向位移圖

圖4　工況①～⑤Y方向位移圖

通過地震動力分析，可得到A結(jié)點(diǎn)在五種不同工況下的基礎(chǔ)地震時(shí)程曲線。

3.2變形和沉降分析結(jié)論

一是隨著地基彈模的增加，塔筒在X方向彎曲變形最大，在Y、Z方向上位移相對X方向變化微小；二是在工況⑤下，也即地基彈模為10000 MPa時(shí)，塔筒在X方向的位移最大，在Z方向的位移最小。且在該工況下，塔筒在Y方向的位移變化最??；三是隨著塔筒高度的增大，X、Y、Z三向位移逐漸增加，位移最大點(diǎn)在塔筒頂端，最大位移達(dá)到1.20 m；四是由A結(jié)點(diǎn)X向位移時(shí)程曲線可知，隨著地基彈性模量的逐漸變大，塔筒在前6 s的X向位移趨于穩(wěn)定，而在后13秒的X向位移波動較大；五是地基彈模較大時(shí)塔筒達(dá)到最大位移的時(shí)刻要比地基彈模較小時(shí)的早。其中前兩個(gè)工況下，塔筒位移達(dá)到最大的時(shí)刻為18.30 s，后三個(gè)工況下，塔筒位移達(dá)到最大的時(shí)刻為12.30 s。

3.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

沿基底X軸中心線均分5個(gè)特征結(jié)點(diǎn)，通過對最外側(cè)結(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)號為62574）進(jìn)行了地震應(yīng)力時(shí)程分析。由不同工況下的地震時(shí)程曲線可以看出，在地震波作用下，發(fā)生最大應(yīng)力的時(shí)刻為7.80 s，如圖5所示。

圖5　基礎(chǔ)特征點(diǎn)應(yīng)力最大值圖

3.4結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)論

一是在不同工況下，由應(yīng)力云圖的沉降分布可知，基礎(chǔ)大多區(qū)域處于受壓的狀態(tài)，且滿足混凝土的抗壓強(qiáng)度。而是在不同工況下的基礎(chǔ)主拉應(yīng)力相似。最大應(yīng)力區(qū)域位于基礎(chǔ)鋼環(huán)與基礎(chǔ)相接觸的局部部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，由下向上逐漸增大，基礎(chǔ)最大主拉應(yīng)力為0.67 Mpa。由于主拉應(yīng)力較小，符合混凝土的抗拉強(qiáng)度，在實(shí)際中進(jìn)行加固處理即可。三是工況①～⑤，基礎(chǔ)底部的主壓應(yīng)力逐漸增大，符合實(shí)際混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

由基礎(chǔ)特征點(diǎn)應(yīng)力最大值圖可知，工況①～④隨著地基彈模的增大，從基礎(chǔ)的受壓區(qū)到受拉區(qū)應(yīng)力值先變大再變小，工況⑤的各個(gè)基礎(chǔ)特征點(diǎn)應(yīng)力最大值變化微小。

4　結(jié)語

文章通過對MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一體化體系的敏感性分析。針對我國某省的這種兆瓦級的大型風(fēng)電機(jī)組，其風(fēng)電場區(qū)最大抗震設(shè)防烈度達(dá)到了7度，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)耦聯(lián)系統(tǒng)的動力學(xué)計(jì)算分析模型。針對不同巖土地質(zhì)特性，進(jìn)行地震動響應(yīng)分析。研究多參數(shù)多工況下耦聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)特性及其響應(yīng)結(jié)果，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)斷面的特征點(diǎn)進(jìn)行分析，得出了不同的沙土及粘土軟質(zhì)土基上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)應(yīng)力、位移、加速度在地震波作用下的響應(yīng)規(guī)律，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了工程評價(jià)。研究成果對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造具有理論參考價(jià)值，為國內(nèi)同類項(xiàng)目提供了參考依據(jù)。

（責(zé)任編輯：劉青）

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：U441. 3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）02-0085-02