海上风电导管架基础动力仿真敏感性分析

俞立新 卓 杨 吴 锋

(中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032)

海上风电导管架基础动力仿真敏感性分析

俞立新 卓 杨 吴 锋

(中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032)

以导管架基础为例，对海上风电基础结构的动力特性进行了数值模拟，分析了叶轮、土体参数、单元类型等参数对结构模态分析的敏感性，研究表明在实际工程中应避免结构产生共振，而在仿真分析中，叶轮、土体参数等参数对风电基础整体结构的固有频率影响均在容许范围内。

导管架基础，模态分析，敏感性分析

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。我国海上风电场的建设起步较晚，国内第一个海上风电项目——上海东海大桥100 MW海上风电示范项目已于2010年7月实现并网发电。

风机基础作为海上风机的重要组成部分，为避免基础结构发生共振，根据GL规范(Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines)[1]要求，整机(风电机组+塔筒+基础+地基系统)固有频率需满足fR/f0,n>1.05或<0.95(其中，fR为风轮转动激振频率；f0,n为整机固有频率)，整机固有频率还需要考虑±5%的裕量，即综合考虑10%的安全裕量。此外，海上风电基础必须考虑波浪、水流等周期性往复荷载的作用，若这种动载荷与静载荷相比不占主要地位，其影响可以忽略不计，只需做静态计算；但是相对于陆上风机，海上风机往往更加大型化，受到的波浪、风机荷载甚至船舶撞击等动载荷作用也较陆上更大，因此有必要针对海上风机的动力特性展开系统的研究。

1 计算模型

以海上风电导管架基础为例建模，模型中桩采用管单元；斜撑、塔筒等部位采用梁单元；土体采用弹簧单元，弹簧刚度按m法取值；机舱采用实体单元；叶轮采用质点及壳单元。

2 结构模态分析

结构模态分析即结构的固有动力特性分析，用于确定结构的固有频率和振型(见图1)，是其他动力分析的基础。本模型计算结果如表1所示。

表1 模态分析结果 Hz

3 随机波浪载荷分析

对于海上工作环境，波浪荷载对结构的影响非常重要，由于波浪为随机的动载荷，本节采用功率谱密度(PSD)分析方法[2]计算结构在假定波浪载荷下的结构响应。

从图2中可以看出，功率谱密度曲线出现两个极值。其中第一个极值点出现的原因是因为所假定的波浪谱在该频率处出现极值；第二个极值点出现的原因是因为该处频率与结构的固有频率一致，从而引起结构共振，响应出现极大值，在实际工程中这种情况是不允许出现的。

4 模态仿真分析的参数敏感性

有限元模型是对真实情况的模拟，其中不可避免会采用各种假定，而不同的假定会得出不同的结果，下面研究本模型的结构参数对模态分析结果的影响。

4.1 叶轮

1)叶轮位置。

表1中的计算结果是将叶轮作为集中质量的计算结果，下面将叶轮按实际情况建模，有限元模型如图3所示，考虑对称性，将叶轮位置分为4个不同角度进行模态分析。

从表2中可以看出，叶轮位置对整体结构的固有频率基本无影响，对整体结构的模态分析仅需考虑一种叶轮位置即可。

表2 模态分析结果 Hz

如图4所示为模型一的几个典型振型，从图4中可以看出，大部分振型以叶片振动为主，因此不易识别以基础振动为主的振型。同时对比表1中的1阶振型和表3中的16阶振型，二者振型相近，频率相差也较小，说明风机叶片对以基础振动为主的频率影响不大。

2)叶片质量分布。

下面考虑叶片质量分布对结构模态分析结果的影响，将叶片部分质量移到叶轮质心位置，结果如表3所示。

表3 同一振型结果对比 Hz

从表3中可以看出，叶片具体质量分布对以基础振动为主的频率影响不大，即可以将叶片质量全集中在叶轮质心位置。

3)叶片刚度。

由于叶片实际形状较为复杂，因此对图3所示模型中的叶片做了简化建模，下面考虑调整叶片刚度，分析其对结构模态分析结果的影响，仍取同一振型进行比较，如表4所示。

表4 不同刚度结果对比 Hz

从表4中可以看出，增大叶片刚度对以基础振动为主的频率影响不大。

4.2 土体m值

目前对土体m值的选定仍是以经验为主，并且有较大的浮动范围，作为施加在模型上的边界条件，其对结构固有频率也会有影响。以表1为参照，改变模型中土体m值，分析结果如表5所示。

表5 改变土体m值模态分析结果 Hz

从表5中可以看出，小幅改变土体m值对结构的固有频率影响不大，即对于土体m值在浮动范围内的影响可以忽略。

5 结语

本文以导管架基础为例，对海上风电基础结构的动力特性进行了数值模拟，并且分析了结构模态分析的参数敏感性，进而得到了以下结论，可以为海上风电基础的动力仿真分析提供参考借鉴：

1)当外界荷载频率与结构固有频率一致时，引起结构共振，响应出现极大值，在实际工程中应予以避免。

2)仿真分析中叶轮位置、叶片质量分布、叶片刚度对风电基础整体结构的固有频率影响不大，可以将其简化为集中质量进行分析。

3)仿真分析中土体m值对风电基础结构的固有频率影响在容许范围以内。

[1] GL Wind 2005, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines[S].

[2] 尚晓江,邱 峰,赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006：315-340.

The dynamic simulation sensitivity analysis of offshore wind turbine jacket foundation

Yu Lixin Zhuo Yang Wu Feng

(ShanghaiHarbourEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200032,China)

Based on jacket foundation, analyses the dynamic characteristics of offshore wind turbine foundation by the numerical simulations, and research the sensitivity of the parameters such as impeller, the soil parameters, element type on structural modal analysis. Studies have shown that structure resonate should be avoided in the practical engineering, and in the simulation, the influence of the parameters above on the natural frequency of the whole wind turbine foundation is under the allowable range.

jacket foundation, modal analysis, sensitivity analysis

2015-06-29

俞立新(1973- )，男，高级工程师； 卓 杨(1982- )，男，高级工程师； 吴 锋(1978- )，男，教授级高级工程师

1009-6825(2015)25-0035-02

TU311.3

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