地震作用下桁架式大型海上风力机瞬态动力学分析_闫阳天.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金项目国际地区合作与交流 项目上海市科技创新行动计划地方院校能力建 设项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 闫阳天 男硕士生 年生 通信作者 李春 男教授博士生导师 年生 地震作用下桁架式大型海上风力机瞬态动力学分析 闫阳天 许子非 李春 邓允河 王渊博 上海理工大学能源与动力工程学院上海雅图新能源科技有限公司广东 深圳 摘要为研究地震载荷作用下桁架式大型海上风力机结构动力学响应采用文克尔土构耦合模型描述柔性 土壤与桩基间的相互作用以 大型海上风力机为研究对象分别建立其桁架式及单桩式结构有限元模型并 计算两种结构在额定风速正常运行及突发地震两种工况时的结构瞬态动力学响应结果表明在地震及湍流风作用下 相较于单桩式风力机桁架式结构具有更好的抗风抗震性能且塔顶位移响应较小能够有效保护塔顶叶片机舱等重要 部件地震发生时桁架式风力机米塞斯等效应力幅值变化范围降低 平均值降低 研究还发现现有桁架 结构设计会出现局部应变能激增 关键词海上风力机动力学响应桁架式单桩式地震文克尔土构模型 中图分类号 文献标志码 较之于陆上海上风能资源丰富且具有风速高 风向稳定能量密度高风切变小湍流度低以及环境 生态和适宜大型化等优势由陆至海的未来风电发展 方向已为学术界风电企业达成共识广受各国重 视 年全球计划海上风电装机容量达到 我国海上风电并网预计将达 较十二五期 间增加为充分利用海上风能海上风力机的 安装逐渐从浅海域向深海域发展 海上风力机在不同水深的海域宜选择不同的支撑 结构水深超过 的海域多选择漂浮式平台水 深小于 的海域均采用固定式支撑结构支撑 基础结构分为重力式单桩式三脚架式桁架式多桩 承台式和筒式六种其中桁架式由格栅桁架与 根深埋海床的钢管焊接而成因其具有强度高建造和 施工方便受波浪与水流载荷影响小的优势故在相对 较深约 的浅海海域风电场多采用桁架式作为 支撑结构 随水深增加桁架式支撑结构的耗材及 安装成本将大幅增加所以采用桁架式的风力机海水 最深为 随着我国南海海域首个桁架式海上 风力机的并网该结构在我国逐渐被广泛应用然 而我国风能资源丰富的沿海地区恰位于环太平洋地 震带属地震频发地区加之桩基埋于淤泥与软土质较 厚的海床下使地震发生时风力机产生剧烈震荡致使 塔架极易超出设计极限从而发生局部结构损伤甚至 整机组倒塌造成巨大的安全事故及财产损失 因此在考虑土壤柔性的基础上分析桁架式大型海上 风力机在多种地震载荷同时作用下的动力学特性及结 构动力学响应十分必要 国内外诸多学者相继开展了海上风力机在地震作 用下动力学响应研究文献研究了 风力机 在地震载荷下的动力学响应对固定基础多自由度考 虑土构耦合作用的有限元模型分别采用响应谱分 析法与瞬态动力学分析法发现土构耦合作用不可 忽略一些学者将海床土壤与桩基间假设为刚性接 触 或线弹性接触 但因海底土壤液化严重 土体孔隙率及含水量随桩基埋土深度不断变化导 致土体在横纵方向上的力学特性呈现非线性变化这 将增加风力机支撑结构的阻尼减小固有频率 且当地震发生时土体与结构间的相对位移加剧了土 壤液化土壤反力随结构形变的差异产生高度的非线 性特性 因此对风力机支撑结构的动力学特性 及地震载荷下动力学响应分析需采用一种更为精确描 述土构间相互作用的非线性耦合模型 为此德国劳氏船级社 发 布的指南中给出了相对详细的要求地震载荷分析 应选择重现期为年的地震激励作为设计强度可 通过频域法或时域法计算此外还必须考虑气动载荷 作用设计负载应为气动载荷与地震载荷之和季亮 等采用频域法计算风力机支撑结构的固有频率及模态 振型再根据地震反应谱计算地震载荷该方法相对于 瞬态动力学方法计算结果不仅过于保守还忽略了气 动载荷的影响文献 基于 的风力机气 动伺服水动弹性的开源软件 建立湍流 风地震实时耦合模型模拟风力机结构在不同土质 和不同地震强度时塔架的动力学响应分析地震载荷 对塔顶位移和塔基弯矩的影响研究发现了一些风力 机结构在不同地震作用下的非线性动力响应影响规 律但该方法仅适用于单桩式支撑结构的风力机且 所得结果较宏观针对不同支撑结构的风力机在地震 发生时局部的响应特性分析难以开展 针对以上问题本文以 风力机为研究 对象建立海上风力机结构有限元模型基于 曲线 法建立文克尔土构耦合模型选择太平洋地震工程 研 究 所 的实测数据为地震载荷采用有限元法进行瞬 态动力学仿真对比地震发生时不同支撑结构风力机 塔架瞬态动力学响应研究桁架式风力机结构动力学 特性为抗震结构设计提供参考 研究对象 塔架模型 选择美国可再生能源实验室 开发的 风力机为研究 对象 等在美国国家风能中心 发表的报告中给出了 其详细的设计参数如表所示 表风力机主要参数 参数数值 额定功率 塔架高度 叶轮直径 额定风速 塔架质量 机舱质量 轮毂及叶片质量 塔架前后一阶固有频率 塔架侧向一阶固有频率 塔架前后二阶固有频率 塔架侧向二阶固有频率 风力机塔架壁厚随高度呈线性减小塔基外径 壁厚 塔顶与机舱连接法兰处直径 壁厚 塔架材料为 圆形截面高强度钢密 度 杨氏模量 泊松比 材料屈 服极限为 考虑到结构油漆法兰螺栓及焊 接点质量将计算密度修正为 针对桁架式支撑结构风力机与采用单桩式支撑结 构风力机在相同工况下进行对比分析两者模型及工 图如图所示桁架式有限元模型及网格如图所示 塔架网格精度 桁架结构网格精度 图风力机支撑结构 模型图 图桁架式结构 模型参数 振 动 与 冲 击年第卷 图桁架式结构有限元模型及网格 土体结构耦合模型 本文 采 用 美 国 石 油 学 会 现行的文克尔土构耦合模型其考 虑横向与纵向土壤刚度的非线性将土结构耦合作 用以非线性弹簧表示如图所示 图土结构耦合模型原理图 两种支撑结构埋土深度均为 埋土部分划分 为段自海床下 开始每隔 划分一段计 算各段平均深度 及 的 曲线以此确定各段桩基与土体间相互 作用时的非线性刚度 砂性土在不同深度的极限承载力不同海床下浅 层沙性土壤极限承载力如式深层如式 式中 为桩深至时单位长度极限承载力为浅层 土壤极限承载力 为深层土壤极限承载力 为土壤 有效重度为海床下土深度系数 为由内摩 擦角确定其值如表所示为桩基外径桁架式 桩外径 单桩式桩外径 当桩基发生横向位移时土壤因受挤压形变产生 作用于桩基的反作用力该力与土壤侧向位移的非线 性关系为 表土壤参数 土壤参数数值 内摩擦角 系数 系数 系数 有效土重度 地基反力系数 [] 式中为不同载荷作用时的经验调整系数周期性载 荷作用时 静力学载荷作用时 为地基反力系数为土壤反力为侧向 位移 经计算单桩式与桁架式 曲线如图所示 图 曲线 随机载荷 湍流风载荷 采用 的风力机气动伺服水动弹性的 开源软件 基于经典的 湍流风谱模 型 给出了该模型的定义其中风的 三个分量 计算由式确定 式中 为来流方向分量功率谱密度 为轮毂高 度处平均风速为循环频率为整体尺寸参数 为 标准差其值等于湍流强度与平均风速的比风场计 算在和方向各布置个网格点 风剪切效应通过幂律风廓线形式描述水平方向 速度变化规律采用对数率风廓线表示 { 第期闫阳天等地震作用下桁架式大型海上风力机瞬态动力学分析 式中 为垂直方向速度分布 为轮毂处风 速为计算节点高度 为水平方向速度分布 为轮毂处风速计算节点水平位置 为地表 表面粗糙度其值取 为垂直稳定度无量纲 函数 通过 生成所需风场数据轮毂高度处风速 时域变化曲线如图所示产生作用于风轮的推力如 图所示 图风力机轮毂处风速变化 图轮毂高度风轮推力 地震载荷 选用太平洋地震工程研究中心数据库中的地震运 动地震发生在美国摩根希尔 震级 地震峰值加速度为 近地地震加速度 时域变化如图所示 图地震加速度时域曲线 将该近地地震加速度作为地震载荷施加于两种不 同结构的土中桩基 有限元法 瞬态动力学分析时程分析用于分析承受任意随 时间变化载荷结构的动力学响应针对各类非线性弹 塑大变形结构问题采用 时间积分法对整个结 构系统矩阵求解 结构瞬态动力学分析基本方程为 式中为质量矩阵 为阻尼矩阵 为刚度矩 阵 为加速度向量 为速度向量 为位移向 量 为变载荷向量 为提高计算结果精度采用完全法 时间 积分法求解具体步骤如图所示 针对风力机在地震载荷下的动力学响应采用完 全法进行瞬态动力学分析不涉及质量矩阵近似可 将各类型载荷包括地震载荷直接施加于实体结构 一次处理即可得到较为理想的位移时程曲线 图瞬态动力学完全法求解流程图 可靠性验证 为验证计算结果的有效性将计算结果与风力机 气动伺服水动弹性的开源软件 的结果进 行对比在相同湍流风及地震强度激励时风力机塔顶 位移动力学响应如图所示 图地震工况塔顶位移时域响应对比 由图可知 前仅在湍流风作用时本文计 算结果变化趋势与 计算结果基本吻合仅幅值稍 有差异地震发生后两者均出现剧烈波动且本文计 算结果与 结果在波动趋势保持高度一致但相应 幅值相较之前出现微小误差 计算塔顶位移平 均为 有限元计算塔顶位移平均 相差 仅 从而验证了计算结果的精度和研究方法的有 效性 结果与分析 模态分析 模态是结构的固有振动特性包括固有频率与振 型等对模态参数进行计算或实验分析的过程即为模 态分析考虑土构耦合时单桩式与桁架式风力机整 机的一阶二阶模态自振频率如表所示一阶二 阶前后向塔架振型如图所示 振 动 与 冲 击年第卷 表风力机整机自振频率 模态单桩式桁架式增幅 一阶前后 一阶侧向 二阶前后 二阶侧向 图风力机一二阶模态前后振型 由计算结果可知结构的变化大幅改变了风力机 整机结构振动特性对于自振频率相较单桩式支撑 结构桁架式支撑结构令整机一阶频率增加二阶频率 降低对于振型两种结构一阶模态均为塔顶剧烈响 应而二阶模态响应最剧烈位置稍有差异单桩式响应 最剧烈位置在塔架中部桁架式响应最剧烈位置在塔 架与桁架基础衔接处且响应剧烈程度明显小于单 桩式 结构动力响应分析 为研究桁架式支撑结构在地震发生时的结构动力 学特性本文将桁架式与单桩式的 海上风力机 在地震及湍流风作用下的种工况进行对比分析如 表所示 表计算工况 桁架式单桩式湍流风地震 工况 工况 工况 工况 工况为地震及湍流风载荷同时作用于桁架式风 力机工况为地震及湍流风载荷同时作用于单桩式 风力机工况为湍流风载荷作用于桁架式风力机工 况为湍流风载荷作用于单桩式风力机 各工况总仿真模拟时间 计算时间步长为 风力机自开始运行湍流风作用时长为 风速为 工况与工况的地震载荷作用时 长为 于风力机开始运行后的第 发生工况 与工况地震载荷为 图工况与工况湍流风及地震载荷 以下将从结构受湍流风及地震载荷冲击后的塔顶 位移结构应力及整体局部的应变能进行分析 风力机塔顶的动态响应对塔顶机舱及叶片带来巨 大影响图为单桩式与桁架式支撑结构风力机在 有无地震载荷时的塔顶位移响应其中方向为湍流 风来流方向即塔架前后方向方向为塔架侧向 图塔顶位移响应时域曲线 由图可知风力机塔顶位移在方向分量明显 大于方向因为方向为湍流风的来流方向其产生 的推力导致塔顶发生剧烈晃动地震发生后方向位 移分量相较于方向出现较大高频非线性波动的原 因是方向低频风载荷起到阻尼作用影响了高频地 震载荷的作用 对比桁架式与单桩式风力机在各工况下的动力学 第期闫阳天等地震作用下桁架式大型海上风力机瞬态动力学分析 响应可知桁架式在方向波动明显小于单桩式响应 峰值减小 但因结构特性方向位移稍有增 加峰值仅增大 地震发生后桁架式塔顶位移受的地震冲击影响 更小方向位移峰值相较于单桩式下降 从 波动趋势上看桁架式与单桩式在地震发生后塔顶位 移均出现剧烈波动但单桩式波动持续时间更长桁架 式遭受地震载荷冲击发生振动的幅值随时间迅速衰 减方向及方向位移分量均恢复较快 风力机在地震发生时支撑结构的应力会出现激 增有必要进一步研究其剪应力的时域响应特性图 为单桩式与桁架式支撑结构风力机在不同工况下结 构平均等效应力时域曲线 图风力机支撑结构平均等效应力时域曲线 由图可知湍流风作用下风力机等效应力随风 速的变化呈现低频波动单桩式等效应力幅值变化范 围为 平均 桁架式等效 应力 幅 值 变 化 范 围 是 平 均 幅值变化范围降低 平均值降低 说明桁架式结构受湍流风作用下结构应力波 动更小应力平均值明显下降疲劳损伤也随之降低 当地震发生时地震载荷导致塔架剧烈震动的同 时剪应力出现高频波动单桩式结构等效应力幅值变 化范围为 平均 桁架式 结构等效应力幅值变化范围是 平均 地震载荷对单桩式结构平均等效应力影 响远大于桁架式幅值变化范围降低 平均值降 低 地震使得单桩式结构幅值变化范围增加 平均值增大 桁架式结构幅值变化范 围增加 平均值增加 相较而言地震 对两种结构应力平均值影响不大但导致单桩式应力 波动的增加桁架式幅值变化并不明显因此桁架式 在地震发生时迅速增加的应力将突破屈服极限导致倒 塌的可能性也更小 弹性应变能下简称应变能是外力作用于结 构使其变形所作的功将转变为能量储存在结构中 本文结构应力未使材料达到塑性阶段因此仅分析风 力机结构的应变能图为风力机支撑结构应变 能最大位置处的时域曲线图为风力机支撑结构 应变能峰值时刻云图各工况云图中 位置时域曲 线与图各工况曲线对应 图应变能最大位置时域曲线 图风力机支撑结构应变能云图 由图可知当湍流风作用于风力机时应变能 幅值随风速的波动逐渐变化单桩式平均 桁架 式平均 两种结构所接收由风力机叶片传递而 来的相同能量但单桩式位移响应大部分能量转化为 动能被耗散桁架式的稳定性导致应变能平均值比单 桩式高出 因单桩式风力机在湍流风的来流方向上往复摆 动故该方向上应变能较大深埋土壤中的部分蓄积应 振 动 与 冲 击年第卷 变能较大桁架式的风力机因其结构的特殊性应变 能蓄积于海平面以上的桁架结构与塔架的衔接处以 及海水中的桁架结构底部 当地震发生时两种结构均出现局部应变能激增 现象 时桁架式结构的应变能最大位置平均 值为 相较于地震发生前增大 单桩 式为 相较于地震发生前增大 对比图 中有无地震的工况两种结构应变能激增位置并无 太大差异说明地震会导致原应变能聚集位置处应变 能的进一步激增然而单桩式的应变能激增较小且分 散桁架式支撑结构应变能激增大且集中因此桁架 结构局部发生形变的可能性更大 结论 分别以单桩式及桁架式支撑结构的 风力机为研究对象对比两种结构风力机在 级地 震发生时的结构动力学响应主要得到以下结论 桁架式结构风力机相较于单桩式结构具有高 一阶模态频率低二阶模态频率的结构特点且结构二 阶模态响应幅度较小 桁架式结构风力机在湍流风作用下塔顶位移 较小可为塔顶诸多重要部件的稳定性提供保障与 单桩式结构相比其等效应力平均值低波动范围小 提高了结构的安全性 地震发生时单桩式结构受地震影响更明显 且持续时间长而桁架式结构在地震发生时响应较小 且能更快恢复相对平稳的状态具备较优良的抗震 性能 地震可能导致桁架式结构风力机在桁架结构 与塔架的连接位置以及桁架低端发生形变而单桩式 结构的形变可能发生在埋土部分因此桁架式结构 损伤后的修复工作成本更低 参 考 文 献 李春叶舟高伟等现代大型风力机设计原理上 海上海科学技术出版社 国家能源局风电发展十三五规划 北京国家能 源局 孟繤基于动力特性的海上风力发电支撑结构优化技术 研究 青岛中国海洋大学 刘凌飞采用导管架结构的近海风为发电机支撑结构的 研究 广州华南理工大学 广州珍珠河石油钢管有限公司珠海桂山海上风电项目 首座导管架总装完成 广州广州珍珠河石油钢 管有限公司新闻 杨阳李春叶柯华等多工况下大型风力机动态响应研 究 工程热物理学报 季亮祝磊叶桢翔风力发电机组塔架底部地震剪力弯 矩计算方法研