基于SoIidworks simuIation的高樁承臺基礎(chǔ)環(huán)的有限元分析

賈曉輝，孫 輝

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

基于SoIidworks simuIation的高樁承臺基礎(chǔ)環(huán)的有限元分析

賈曉輝，孫 輝

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

文章以中交三航局響水近海風(fēng)電場項目為參照工程實例，詳細(xì)介紹了通過Solidworks simulation對高樁承臺基礎(chǔ)的基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行有限元分析的情況，重點對基礎(chǔ)環(huán)，基礎(chǔ)環(huán)的有限元分析等情況進(jìn)行了描述，為國內(nèi)從事海上風(fēng)電工程的設(shè)計單位，施工單位和有限元分析愛好者增加了更好的交流和學(xué)習(xí)的機(jī)會。

海上風(fēng)電；高樁承臺；基礎(chǔ)環(huán)；simulation；有限元分析

江蘇響水近海風(fēng)電場項目由中國三峽投資、中交三航局（江蘇分公司）承建，本工程總裝機(jī)容量為202MW，共計55臺風(fēng)電機(jī)組，布置37臺單機(jī)容量4.0MW的西門子風(fēng)電機(jī)組（35臺基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)，2臺預(yù)應(yīng)力螺栓試驗基礎(chǔ)）、18臺單機(jī)容量3.0MW的金風(fēng)風(fēng)電機(jī)組（16臺無過渡段式單樁基礎(chǔ)，2臺負(fù)壓桶式試驗基礎(chǔ)），風(fēng)電場配套設(shè)置一座位于場區(qū)中部的100m高自立式海上測風(fēng)塔、一座220kV海上升壓站和一座220kV陸上升壓站。西門子風(fēng)電機(jī)組均采用高樁承臺基礎(chǔ)，其中基礎(chǔ)環(huán)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)環(huán)及其受力情況將在本文中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1　基礎(chǔ)環(huán)介紹

基礎(chǔ)環(huán)，直徑5.042m，高度8.19m，重量64.7t，由上法蘭、下法蘭、筒體和加強(qiáng)環(huán)板組成：

上法蘭：厚度126mm，材質(zhì)Q345E-Z35。 下法蘭：厚度70mm，材質(zhì)Q345E-Z35。

筒體：厚度54mm，材質(zhì)Q345D-Z25。 加強(qiáng)環(huán)板：厚度40mm，材質(zhì)Q345D-Z25。

圖1　基礎(chǔ)環(huán)法整體鍛造

基礎(chǔ)環(huán)法蘭為整體鍛造（見圖1），處理狀態(tài)為正火和回火，鍛件100%超聲波探傷（UT）合格，基礎(chǔ)環(huán)所有焊縫均為全熔透，焊縫質(zhì)量等級為一級，檢查要求100%超聲波探 傷（UT）和100%磁粉探傷（MT）合格。

基礎(chǔ)環(huán)通過加強(qiáng)環(huán)板與基礎(chǔ)樁體的十字板焊接連接，通過上法蘭與下部塔筒進(jìn)行螺栓連接，在風(fēng)機(jī)整體中起承載和紐帶作用，同時也是焊接的困難點，所以基礎(chǔ)環(huán)的有限元分析顯得尤為重要。

2　基礎(chǔ)環(huán)有限元分析

有限元分析可分為靜態(tài)分析、動態(tài)分析、疲勞分析、散熱分析、流體動力學(xué)分析和其它分析，考慮到基礎(chǔ)環(huán)實際情況，本文只采用靜態(tài)分析。

有限元分析順序可分為：模型簡化、前處理、后處理。

2.1模型簡化

（1）特征簡化：基礎(chǔ)環(huán)倒角不影響整體分析，進(jìn)行簡化。

（2）零件簡化：基礎(chǔ)環(huán)無零件需要簡化。

2.2前處理

（1）干涉檢查：無干涉。

（2）分析類型：靜應(yīng)力分析

（3）材料加載：基礎(chǔ)環(huán)材質(zhì)都為Q345低合金高強(qiáng)度鋼，其彈性模量為210000N/mm2，中泊松比為0.28，質(zhì)量密度為7700kg/m3，屈服強(qiáng)度為620.42N/mm2。

（4）夾具：考慮到基礎(chǔ)環(huán)實際情況，對下法蘭的下表面進(jìn)行法向約束；又因其符合應(yīng)力云圖對稱分布：①三維模型對稱②材料對稱③邊界條件對稱，所以對基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行1/8簡化操作，簡化后的切面進(jìn)行約束，有兩種方法：①周期對稱的對應(yīng)面約束②在平面上的單邊約束；簡化后存在剛性位移問題，可利用軟彈簧或慣性卸除。

（5）連結(jié)：兩種方法：①接觸面組：接觸前先通過配置進(jìn)行爆炸視圖操作，以便于相觸面組的選擇，基礎(chǔ)環(huán)的相觸面組有兩組，分別為上法蘭的下表面和筒體的上表面、下法蘭的上表面和筒體的下表面，接觸類型為接合。②零部件相觸：選擇全局接觸，接觸類型為接合，網(wǎng)格選擇兼容。

（6）外部載荷：考慮到基礎(chǔ)環(huán)實際情況，對上法蘭的上表面進(jìn)行法向施力；

基礎(chǔ)環(huán)除了受到上部塔筒、機(jī)艙和葉輪的重量，還受到吊裝時平衡梁和上部吊架的重量，所以最終合計最大承載重量940t，由G=m×g可知，施加的法向力F1=9212kN（經(jīng)過上述1/8簡化操作，受力面也只要1/8，所以F2=1151.5kN），因為只有一個方向的力，所以按條目和按總數(shù)都可以（如果該力完全作用于基礎(chǔ)環(huán)，將導(dǎo)致嚴(yán)重變形）；因考慮到除了基礎(chǔ)環(huán)以外還有混凝土、樁基和十字板進(jìn)行承載，所以添加F3=F2/2=575.75kN作為外部載荷，使得分析結(jié)果更合理、更具說服力。

（7）網(wǎng)格：網(wǎng)格參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為80mm，公差為4mm；經(jīng)過初步的受力分析，可知基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)力集中點在筒體中部的橢圓處，所以對該處進(jìn)行網(wǎng)格控制，為了減少軟件運行內(nèi)存和節(jié)約運算時間，對橢圓處上下各50mm處進(jìn)行分割處理，網(wǎng)格控制設(shè)置為按照零件大小使用或者網(wǎng)格大小為20mm，倍率（變化率）為1.1；通過調(diào)整網(wǎng)格大小，觀察應(yīng)力云圖的von Mises應(yīng)力值無變化，可知基礎(chǔ)環(huán)無應(yīng)力奇異點；單元形狀為高寬比例，網(wǎng)格品質(zhì)由圖2可知，設(shè)置合理；網(wǎng)格精度參照以下標(biāo)準(zhǔn)：

①應(yīng)力最大值（紅色）完全包括兩個單元格。由圖1可知，滿足要求。②（單元應(yīng)力-節(jié)點應(yīng)力）/單元應(yīng)力＜5%；

網(wǎng)格精度兩項標(biāo)準(zhǔn)都符合要求，說明網(wǎng)格設(shè)置合理。

2.3后處理（見圖2、圖3）

（1）當(dāng)F2=1151.5kN時，各分析結(jié)果情況：

應(yīng)力：von Mises應(yīng)力 ：2.066×107N/m2＜ 屈服力為6.204×108N/m2合理；

圖2　橢圓孔網(wǎng)格控制受力圖

INT：應(yīng)力強(qiáng)度（P1-P3） ：2.091×107N/m2；

位移：RFRES：合力反作用力 ：1.373×104N；

URES：合位移 ：4.304×106am；

應(yīng)變：ESTRN：對等應(yīng)變 ：8.394×10-5；

ENERGY：總應(yīng)變能 ：3.791×10-2N.m；

最小安全系數(shù)：27.2；

（2）當(dāng)F3=575.75kN時，各分析結(jié)果情況：

應(yīng)力：von Mises應(yīng)力 ：1.033×107N/m2＜ 屈服力為6.204×108N/m2合理；

INT：應(yīng)力強(qiáng)度（P1-P3） ：1.045×107N/m2；

位移：RFRES：合力反作用力 ：6.867×103N；

URES：合位移 ：2.152×106am；

應(yīng)變：ESTRN：對等應(yīng)變 ：4.197×10-5；

ENERGY：總應(yīng)變能 ：9.477×10-3N.m；

最小安全系數(shù)：54.41；

鑒于本文只對基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行靜態(tài)分析，而非設(shè)計分析，所以不進(jìn)行優(yōu)化分析。

3　結(jié)束語

文章主要從對工程整體情況和風(fēng)電機(jī)組概述的介紹，到對高樁承臺基礎(chǔ)基礎(chǔ)環(huán)的了解，再到對基礎(chǔ)環(huán)模型進(jìn)行簡化、類型分析、材料加載、約束、載荷、接觸和網(wǎng)格離散化的學(xué)習(xí)，最后到對基礎(chǔ)環(huán)各個應(yīng)力、位移和應(yīng)變的敘述，具體的介紹了基礎(chǔ)環(huán)從建模到有限元分析過程中的各個難點和注意點，有利于我們對基礎(chǔ)環(huán)和有限元分析有更多的了解和學(xué)習(xí)，Solidworks simulation的有限元分析的應(yīng)用在國內(nèi)目前還處于摸索和積累經(jīng)驗的階段，期望今后有關(guān)設(shè)計單位、施工企業(yè)和有限元分析愛好者多進(jìn)行實踐和推廣，積累足夠的實踐研究數(shù)據(jù)，為以后Solidworks simulation的有限元分析的應(yīng)用在海上風(fēng)電工程或者各個領(lǐng)域的實踐應(yīng)用提供可靠的依據(jù)和借鑒。

［1］陳超祥.SoIidworks SimuIation基礎(chǔ)教程（2014版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［2］陳永當(dāng)，任慧娟，武欣竹.基于SoIidworks SimuIation的有限元分析方法［M］.西安：西安出版社，2011.

TU753.2

A

1671-3818（2016）09-0229-02