基于ABAQUS的越浪式波浪发电装置模态分析

贾孝东　葛凯

摘 要：利用ABAQUS有限元分析软件自带的建模功能建立越浪式波浪发电装置模型，对比分析该装置选用Q235结构钢和C40混凝土两种材料的前6阶模态和固有频率，为该装置在实体设计提供参考。

关键词：ABAQUS；模态分析；有限元

进入二十一世纪以来，随着经济全球化的发展、全球人口的增长及人类生活水平的整体提高，对于能源的需求越来越大，常规能源的化石燃料不断被消耗，传统能源供应模式已面临危机，寻找、开发优质新能源成为人类社会实现可持续发展的必由之路。海洋波浪能作为一种清洁、可再生能源而备受各国的重视。越浪技术是利用水道将波浪引入高位水库形成水位差（水头），利用水头直接驱动水轮发电机组发电。越浪技术包括收缩波道式、波龙、槽式，越浪技术优点是具有较好的输出稳定性、效率以及可靠性 。越浪式波浪发电装置在海水中受到各种复杂波浪情况的作用，因此研究装置动力特性具有重要意义。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域的应用。文章利用有限元分析软件ABAQUS，对越浪式波浪发电装置进行模态分析，并对该装置采用不同材料情况下的模态分析对比，得出该装置的前6阶振型和固有频率。

1 动力学有限元的基本原理

动力学的平衡方程中，m是结构的质量，是结构的加速度，u表示位移，I是结构的内力，F是结构内力，其中内力I有结构变形的运动（阻尼）组成。

以弹簧-质量振动的动力学问题为例，弹簧的内力为ku，则运动方程变为+ku-F=0.弹簧质量系统的固有频率为ω，则质量块被移动后再释放，它将以这个频率振动。如果按照此频率施加一个动态的外力，质量块位移的幅度就会大大增加，引发共振。因此在结构设计中应设法避开结构的固有频率和载荷频率过分接近，结构的固有频率可以通过结构在无载荷作用时的动态响应分析得到。

2 越浪式波浪发电装置有限元模型建立

使用ABAQUS自带的建模功能，定义越浪式波浪发电装置的各个部件，模型部件由越浪斜坡、用于支撑斜坡的前挡板、与前挡板组合成储水箱的后挡板、侧挡板、底板、用于安装发电机的出水管构成。模型尺寸为1.6m×0.6m×0.7m（长×宽×高）。

在三维建模过程中为提高模态分析的运算速度，对模型进行了必要的简化。在满足计算精度的前提下其简化设定为：（1）不考虑焊接对各部件的影响；（2）所有的倒角和过渡圆角都简化为直角。

3 模态计算分析

3.1 对模型进行模态分析的主要步骤

3.1.1 建模

首先建立越浪式波浪发电装置的各部件有限元模型，然后定义各部件的材料属性，该装置采用

Q235结构钢，弹性模量为210GPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3。

C40混凝土，弹性模量为3.25×104MPa，密度为2400kg/m3，泊松比为0.3。

材料属性定义之后将各部件装配，使各部件组合为一个越浪式波浪发电装置。

3.1.2 定义分析步

选择分析步的类型为线性摄动频率，定义该类型的分析步，选用计算方法为LANCZOS算法，设置分析步的其它参数。

3.1.3 施加边界条件

由于该装置的模态分析为自由模态分析，因此忽略外部荷载，越浪式波浪发电装置无约束。

3.1.4 划分网格

对有限元模型按部件划分网格，采用为边布种，布种尺寸为0.01，网格单元类型采用C3D8R。

3.1.5 求解

新建作业，设置运算参数，提交作业求解。得到该装置的振型和固有频率。

3.2 模态计算结果

模态分析用于确定系统的振动特性，也就是结构的振型和固有频率。一般来说低阶振动对结构的影响较大，低阶振型决定结构的动态特性。在越浪式波浪发电装置工作过程中，与该装置发生共振的频率基本都是低频，因此不需要提取全部的振型图。使用ABAQUS有限元分析软件计算得出越浪式波浪发电装置的前6阶振型和固有频率如表1所示。

通过表1可知，该装置采用不同的材料振型基本相同，一阶模态振型的主要特征是装置的扭转；该装置二阶模态振型主要是横向弯曲；该装置三阶模态振型为装置的垂直弯曲；该装置的四阶模态振型为弯曲、扭转共同作用；该装置五阶模态振型主要是横向弯曲；六阶模态振型主要为该装置的垂直弯曲。越浪式波浪发电装置采用Q235结构钢作为组成材料时固有频率比采用C40混凝土作为组成材料时大，在低频波浪作用下发生共振的可能性低。采用这两种材料时该装置在前6阶具有相同的振型，可见材料种类对结构的振型没有影响。

4 结语

文章利用ABAQUS软件，对越浪式波浪发电装置在自由状态下进行模态分析，得出该装置前6阶模态的固有频率。对该装置选用Q235结构钢和C40混凝土两种材料的固有频率和结构振型对比分析，该装置具有相同的振型，固有频率不同。通过以上研究为该装置的实体设计时材料选用提供参考。

参考文献

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