不同有限元單元建模下的海上風電導管架基礎支撐結構整體模態對比分析研究

田振亞　朱嶸華　張美陽　徐清富　王恒豐

摘要：針對東南沿海某海上風電項目，分別基ANSYS有限元軟件中的SOLID187實體單元和Shell181殼體單元，建立四樁導管架基礎支撐結構ANSYS有限元模態分析模型，并進行模態分析對比，結果表明在項目所在海洋地質條件下，采用實體單元和殼體單元建立支撐結構模型，所得到的模態分析一階固有頻率頻率分析結果相差在1%以內，說明在整機質量、剛度分布確定的情況下，采用實體單元和采用殼體單元對整機的一階頻率影響很小，對于海上風電支撐結構整體頻率分析具有一定的參考意義。

關鍵詞：海上風電;四樁導管架基礎;模態分析;實體單元;殼體單元

中圖分類號：TP391.7 文獻標志碼：A

文章編號：1009—9492（2021）03—0079—02

0引言

結構的模態分析是海上風電場工程項目設計中的重要內容之一，其主要通過分析得出海上風機整機系統的結構固有頻率，與其他激勵頻率相比，整機系統的一階固有頻率越靠近激振頻率表，頻率的共振響應越顯著。結構頻率的設計范圍有“軟-軟”設計、“軟-剛”設計、“剛-剛”設計，目前風電支撐結構固有頻率主要是基于“軟-剛”設計，也即固有頻率落在“軟-剛”設計允許頻率范圍內。海上風機支撐結構的固有頻率不同于陸上風機，其邊界條件較多，除了考慮諸如附連水的質量、海生物的附著等因素以外，海床地質是影響海上風機支撐結構固有頻率的最重要因素之一。在很多情況下，由于基礎經濟性或者基礎自身結構特點的原因，固有頻率往往處于“軟-剛”設計允許頻率范圍的邊界上，故頻率分析結果的合理性就顯得尤為重要。ANSYS軟件結構建模采用較多的是實體單元和殼體單元，本文基于ANSYS軟件采用實體單元和殼體單元分別建模，得到整機的固有頻率，該分析結果對于海上風電支撐結構整體頻率分析具有一定的參考意義。

1模態分析基本原理

假設塔架、基礎、鋼管樁是一個連續的彈性體，并將質量離散聚集于很多節點上，這些互連的質點系統的動態分析問題屬于動力學多自由振動問題。由平衡方程、物理方程和幾何方程可導出結構的有限元基本方程：

2樁土相互作用

海上風電支撐結構的整體模態分析，除了風機、塔筒、基礎的剛度、質量分布對固有頻率影響明顯以外，樁土作用對整體模態分析結果影響很大，因此，在進行整體的模態分析時，需要考慮樁土的相關作用。本文的樁土的相關作用，采用API規范推薦的樁土作用“彈簧法”確定，該方法大量應用于海洋平臺的樁土作用分析中，本文有限元計算模型考慮了泥面以下鋼管樁樁側和土體相關作用，即樁側摩阻力和位移關系的“T-Z”曲線，考慮鋼管樁樁端阻力和土體位移相互作用關系，也即“Q-Z”曲線，考慮樁的側向水平土抗力和位移關系的“P-Y”曲線。對于導管架基礎，樁土相關作用的豎向剛度對模態的影響較大。本文樁土簡化模型如圖1所示。

3不同單元類型模態分析

3.1風機及支撐結構參數

以東南沿海某海上風電項目為例，場址水深為28.4m，風機為4MW級海上風機，風輪直徑130m，機艙質量為239t，塔筒共分為3段，變直徑為3.083～5.042m，壁厚范圍為17～40mm，機艙重心相對塔筒頂部法蘭垂直距離為1.69m。導管架底跨度26m，上部跨度14m，平臺頂高程14.84m，基礎頂法蘭高程23.84m，導管架腿直徑為1.35～2.56m，鋼管樁直徑為3m，機艙重心至平均海平面垂直距離98.07m。

3.2地質參數

該場址的地質條件主要為砂土和風化花崗巖為主，根據地質勘察報告揭示，泥面以下花崗巖層的風化較為劇烈，基本上呈粗的砂土狀，總體而言，該場址的地質條件較好。

本文參照表1所示地質參數，結合API規范建立樁土的水平抗力和位移“P-Y”曲線、樁側摩阻和位移的“T-Z”關系曲線，以及樁端阻和位移的“Q-Z”關系曲線，并在ANSYS軟件中，對應建立鋼管樁不同位置的一系列的“彈簧”，用來模擬樁土之間的相互作用，以貼近實際項目的工程情況。

3.3分析模型

本文建立了塔筒、導管架以及樁土作用的整體有限元分析模型，考慮到導管架剛度較大，爬梯、靠船以及J型管等附件對整體的剛度影響不大，因此，本階段導管架模型暫且不考慮爬梯、靠船以及J型管等附件。塔筒和鋼管樁分別采用實體單元和殼體單元建模，采用實體建模時，塔筒及導管架結構采用SOLID187單元模擬;采用殼單元建模時，塔筒及導管架結構采用Shell181單元模擬。為了簡化，采用質量單元Mass21模擬風機機艙重量以及塔筒內附屬件。其中，機艙質量點考慮了X、Y、Z方向的轉動慣量。在灌漿段以下建立梁單元模擬樁段，以3個不同方向的COMBIN39單元模擬樁土P-Y，T-Z，Q-Z相互作用。灌漿段和鋼管樁之間采用全耦合的方式。風機支撐結構的整體模型如圖2所示。

4分析結果

經過分析，整機前5節階整機頻率對比如表2所示，其前5階振型對比如圖3～12所示。結果表明，采用ANSYS軟件中的SOLID187實體單元與Shell181殼單元建立的整體支撐結構模型，計算分析得到的整機頻率較為接近，1階頻率和2階頻率相對誤差均在1%以內，3～5階頻率有所上升，最大達到3.51%，考慮到模態分析計算主要關注1階整機固有頻率，因此，1階頻率的分析結果對比更有意義，采用實體單元和殼體單元建模分析，得到的1階的支撐結構固有頻率基本上保持一致。

振型方面，從前5階振型也可以看出，采用實體單元和殼體單元建模分析得到的風機支撐結構前5階振型基本保持一致，第1、2階振型主要是塔筒不同方向的擺動，導管架基礎擺動不明顯;第3階振型塔筒呈現明顯的扭轉，導管架基礎出現了明顯的扭轉;第4、5振型塔筒在不同方向也出現擺動，導管架基礎擺動不明顯?？傮w而言，采用實體單元和殼體單元建模分析得到的支撐結構振型基本保持一致。

5結束語

在ANSYS軟件中考慮樁土的相關作用效應，并進行整體支撐結構的模態分析是可行的。

由塔筒、導管架組成的支撐結構采用ANSYS軟件中的SOLID187單元以及Shell181殼單元建模分析得到的一階固有頻率差異性在1%以內，該分析結論可供其他類似的支撐結構型式及場址地質條件參考。采用ANSYS軟件中的SOLID187單元以及Shell181殼單元進行整機建模，分析得到的前5階振型基本一致，差異不明顯。