基于ABAQUS的越浪式波浪發電裝置模態分析

賈孝東　葛凱

摘 要：利用ABAQUS有限元分析軟件自帶的建模功能建立越浪式波浪發電裝置模型，對比分析該裝置選用Q235結構鋼和C40混凝土兩種材料的前6階模態和固有頻率，為該裝置在實體設計提供參考。

關鍵詞：ABAQUS；模態分析；有限元

進入二十一世紀以來，隨著經濟全球化的發展、全球人口的增長及人類生活水平的整體提高，對于能源的需求越來越大，常規能源的化石燃料不斷被消耗，傳統能源供應模式已面臨危機，尋找、開發優質新能源成為人類社會實現可持續發展的必由之路。海洋波浪能作為一種清潔、可再生能源而備受各國的重視。越浪技術是利用水道將波浪引入高位水庫形成水位差（水頭），利用水頭直接驅動水輪發電機組發電。越浪技術包括收縮波道式、波龍、槽式，越浪技術優點是具有較好的輸出穩定性、效率以及可靠性 。越浪式波浪發電裝置在海水中受到各種復雜波浪情況的作用，因此研究裝置動力特性具有重要意義。模態分析是研究結構動力特性的一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域的應用。文章利用有限元分析軟件ABAQUS，對越浪式波浪發電裝置進行模態分析，并對該裝置采用不同材料情況下的模態分析對比，得出該裝置的前6階振型和固有頻率。

1 動力學有限元的基本原理

動力學的平衡方程中，m是結構的質量，是結構的加速度，u表示位移，I是結構的內力，F是結構內力，其中內力I有結構變形的運動（阻尼）組成。

以彈簧-質量振動的動力學問題為例，彈簧的內力為ku，則運動方程變為+ku-F=0.彈簧質量系統的固有頻率為ω，則質量塊被移動后再釋放，它將以這個頻率振動。如果按照此頻率施加一個動態的外力，質量塊位移的幅度就會大大增加，引發共振。因此在結構設計中應設法避開結構的固有頻率和載荷頻率過分接近，結構的固有頻率可以通過結構在無載荷作用時的動態響應分析得到。

2 越浪式波浪發電裝置有限元模型建立

使用ABAQUS自帶的建模功能，定義越浪式波浪發電裝置的各個部件，模型部件由越浪斜坡、用于支撐斜坡的前擋板、與前擋板組合成儲水箱的后擋板、側擋板、底板、用于安裝發電機的出水管構成。模型尺寸為1.6m×0.6m×0.7m（長×寬×高）。

在三維建模過程中為提高模態分析的運算速度，對模型進行了必要的簡化。在滿足計算精度的前提下其簡化設定為：（1）不考慮焊接對各部件的影響；（2）所有的倒角和過渡圓角都簡化為直角。

3 模態計算分析

3.1 對模型進行模態分析的主要步驟

3.1.1 建模

首先建立越浪式波浪發電裝置的各部件有限元模型，然后定義各部件的材料屬性，該裝置采用

Q235結構鋼，彈性模量為210GPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。

C40混凝土，彈性模量為3.25×104MPa，密度為2400kg/m3，泊松比為0.3。

材料屬性定義之后將各部件裝配，使各部件組合為一個越浪式波浪發電裝置。

3.1.2 定義分析步

選擇分析步的類型為線性攝動頻率，定義該類型的分析步，選用計算方法為LANCZOS算法，設置分析步的其它參數。

3.1.3 施加邊界條件

由于該裝置的模態分析為自由模態分析，因此忽略外部荷載，越浪式波浪發電裝置無約束。

3.1.4 劃分網格

對有限元模型按部件劃分網格，采用為邊布種，布種尺寸為0.01，網格單元類型采用C3D8R。

3.1.5 求解

新建作業，設置運算參數，提交作業求解。得到該裝置的振型和固有頻率。

3.2 模態計算結果

模態分析用于確定系統的振動特性，也就是結構的振型和固有頻率。一般來說低階振動對結構的影響較大，低階振型決定結構的動態特性。在越浪式波浪發電裝置工作過程中，與該裝置發生共振的頻率基本都是低頻，因此不需要提取全部的振型圖。使用ABAQUS有限元分析軟件計算得出越浪式波浪發電裝置的前6階振型和固有頻率如表1所示。

通過表1可知，該裝置采用不同的材料振型基本相同，一階模態振型的主要特征是裝置的扭轉；該裝置二階模態振型主要是橫向彎曲；該裝置三階模態振型為裝置的垂直彎曲；該裝置的四階模態振型為彎曲、扭轉共同作用；該裝置五階模態振型主要是橫向彎曲；六階模態振型主要為該裝置的垂直彎曲。越浪式波浪發電裝置采用Q235結構鋼作為組成材料時固有頻率比采用C40混凝土作為組成材料時大，在低頻波浪作用下發生共振的可能性低。采用這兩種材料時該裝置在前6階具有相同的振型，可見材料種類對結構的振型沒有影響。

4 結語

文章利用ABAQUS軟件，對越浪式波浪發電裝置在自由狀態下進行模態分析，得出該裝置前6階模態的固有頻率。對該裝置選用Q235結構鋼和C40混凝土兩種材料的固有頻率和結構振型對比分析，該裝置具有相同的振型，固有頻率不同。通過以上研究為該裝置的實體設計時材料選用提供參考。

參考文獻

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