近海单桩风机在波浪地震联合作用下的动力特性分析

荣维栋，李洪斌

(大连理工大学深海工程研究中心，辽宁大连116024)

世界上很多国家都非常重视对风能的利用.风能作为一种可再生的清洁能源，在使用过程中不会产生任何对环境和人类有害的物质，成为绿色能源的代表.风力发电是一种对风能进行有效开发利用的技术.为了提高对风资源的利用效率，实现规模化利用风能，海上风力发电成为未来风力发电的必然趋势.

从全世界范围来看，欧洲等西方国家在风力发电领域发展较为迅速，同时也掌握着该领域较为成熟的核心技术，无论是海上风电场的建设还是风电机组的研发，都处于世界领先水平.有统计资料显示，截至2007年，全球已建成约30座海上风电场，基本分布在丹麦、英国等欧洲国家.中国的海上风电开发处于起步阶段，但由于近年来国家对该领域的重视，使得中国的风电产业发展迅猛，逐步在江苏如东、浙江岱山、河北黄骅以及上海等地建立了海上风电场，实现对近海丰富风能资源的利用［1］.

海上风力发电机结构不同于普通陆地上使用的发电机，其工作环境更为恶劣.海上风机在工作过程中，经常受到波浪、流、冰等环境荷载的作用，同时，我国地处世界上两个最活跃的地震带，属于多地震国家，因此，在海上风机设计建造过程中，也要考虑地震这种极端环境荷载的影响.当地震发生时，海上风机同时还会受到波浪的作用，因而有必要研究海上风机在波浪和地震联合作用下的结构动力响应，为工程设计提供参考.

尽管许多学者对该领域进行了有意义的研究，但由于海上风电属于较为新兴的产业，在这方面的研究并不很完善.文献［2］中针对风荷载和地震荷载联合作用，对海上风力发电机进行了结构动力响应研究;文献［3］中利用钢球减震装置对海上风机地震响应进行了试验研究;文献［4］中对65 kW风力发电机地震动分析结构进行了试验和数值研究;文献［5］中基于“桨叶-塔体-基础”一体化有限元模型，研究了风力发电高塔系统地震动力响应分析问题.以上研究均未涉及波浪与地震联合作用.文献［6］中虽然针对地震与波浪联合作用，对空间导管架式海洋平台结构的动力响应特性进行了研究，但由于海上风机与海洋平台在结构形式上的差别，其研究成果是否适用于海上风机结构，也有待验证.因此，文中针对海上风机结构在波浪和地震联合作用下的动力响应进行深入研究.

1 海上风机模型建立

文中采用由美国国家能源部可再生能源实验室2009年编写的《Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development》中的典型风机原型，并根据研究内容对其局部结构进行简化处理.该海上风力发电机的额定动率为5MW，相关结构参数如表 1［7］.

由于文中研究近海单桩风机整体结构在外加激励下的动力响应，不涉及细部结构分析，因而将3个叶片简化为薄壁长方体结构，将轮毂简化为实心圆柱体，将机舱简化为实心长方体块，以此来模拟风机顶部的质量分布.由于文中并不研究桩土相互作用对结构响应的影响，因而基底采用刚性固定约束形式.利用有限元分析软件ANSYS建立风机整体结构简化模型(图1).

表1 NREL 5 MW风机结构参数数据Table 1 Structure parameters of the NREL 5 MW wind turbine

图1 海上风机有限元模型Fig.1 FEM model of the offshore wind turbine

不考虑叶片、轮毂和机舱等上部结构具体形状，仅模拟质量分布，故采用SOLID45单元进行建模;塔筒变截面部分采用BEAM189单元进行模拟，高程87.6 m，底部外径6 m，壁厚0.035 m，顶部外径3.87m，壁厚0.025m，外径和壁厚自下而上均呈线性递减;塔筒水中的部分采用PIPE288单元进行模拟，高程 25 m，外径 6 m，壁厚 0.035 m.PIPE288单元可以通过OCTYPE，OCDATA等系列命令来方便地定义波浪、流等海洋环境荷载［8］.

对以上有限元模型进行模态分析可以得到结构的前2阶固有频率(表2).

表2 结构固有频率Table 2 Structure natural frequency

2 数值分析

2.1 工况选取

文中选取两种水深的工况，分别为低水位d=15 m，高水位d=25 m，其中对于低水位情况，施加1999年台湾省集集东西向地震波和天津医院南北向地震波;高水位情况，施加1999台湾省集集东西向地震波、天津医院南北向地震波和EL-Centro地震波.波浪荷载根据结构的固有频率及实际情况选取.中海况正弦波浪、中海况随机波浪、高海况正弦波浪、高海况随机波浪4种海况波浪要素见表3.其中，高海况波浪均为极端波浪荷载.荷载工况组合如表4所列.

表3 各海况波浪要素Table 3 Parameters of different wave

表4 荷载工况组合Table 4 Load cases

3种地震激励的加速度时程如图2～4，其中，集集东西向地震波的加速度峰值为1.5m·s-2;天津医院南北向地震波的加速度峰值为1.49 m·s-2;ELCentro地震波加速度峰值为0.8m·s-2.

2.2 计算结果分析

利用有限元分析软件ANSYS建立海上风机的有限元模型.对于波浪荷载，正弦波浪基于斯托克斯五阶波理论计算波浪力;随机波浪基于线性随机波理论通过有义波高、谱峰周期、Gamma值等参数的输入来计算波浪力.以上波浪力均使用ANSYS软件自动计算并施加到结构体.对于地震激励，则采用加速度时程方式施加给结构.

图2 集集东西向地震波加速度时程Fig.2 Time history of CHICHI-WE earthquake acceleration

图3 天津医院南北向地震波加速度时程Fig.3 Time history of Tianjin-NS earthquake acceleration

图4 EL-Centro地震波加速度时程Fig.4 Time history of EL-Centro earthquake acceleration

对于海上风力发电机而言，在外载荷作用下，结构的顶端位移、顶端加速度、基底应力、基底弯矩最能体现出其安全性能，因而，对以上4种计算结果进行对比分析.由于篇幅有限，工况较多，仅以工况1和工况4、工况1和工况8、工况1和工况5的对比给出时程曲线，其他工况的结构响应极值见表5.

如表4所列，工况1为集集地震单独作用，工况4为集集地震与中海况正弦波浪联合作用，由图5可以发现，地震波浪联合作用较地震单独作用，结构的顶端位移、顶端加速度、基底应力和基底弯矩均有不同程度的增加.由于波浪的存在，波浪力对结构底部的作用更为明显，因而基底应力和基底弯矩的增加幅度要大于顶端位移和加速度.

图5 工况1与工况4计算结果对比Fig.5 Comparison of dynamic response of case 1 and case 4

如表4所列，工况8为台湾集集地震与高海况正弦波浪联合作用，由图6可以发现，集集地震波浪联合作用与地震单独作用相对比，结构顶端位移、顶端加速度、基底应力和基底弯矩均有较大程度的增加，这主要是由于水位升高，作用在结构上的波浪力增大，而且海况为极端海况，说明在极端海况下，波浪引起的结构响应是不容忽视的，在结构设计中要给予该种情况足够的重视.

图6 工况1与工况8计算结果对比Fig.6 Comparison of dynamic response of case 1 and case 8

如表4所列，工况1为集集地震单独作用，工况5为集集地震与中海况随机波浪联合作用，由图7可以发现，两工况的比较结果与图5类似，地震与随机波浪联合作用较地震单独作用，结构的顶端位移、顶端加速度、基底应力和基底弯矩均有不同程度的增加.由于随机波浪的存在，波浪力对结构底部的作用明显，因而基底应力和基底弯矩的增加幅度也较大.由图5，7可知，规则波浪和线性随机波浪与地震联合作用，对结构响应的影响效果是一致的.

图7 工况1与工况5计算结果对比Fig.7 Comparison of dynamic response of case 1 and case 5

为了验证文中数值计算结果的正确性，现以工况1的基底应力为例，将ANSYS软件数值计算结果与笔者在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室抗震分室进行的模型试验数据结果进行比较，如图8.可以看出，数值结果与试验数据吻合较好，误差范围在10%以内.模型试验结果将另撰他文，在此不再详述.

图8 数值计算结果与模型试验结果对比Fig.8 Comparison of result between FEM and experiment

表5给出了各工况下，结构响应的最值，并进行对比分析.由表5可知，天津波与正弦波浪或随机波浪联合作用较天津波单独作用，结构的4种响应均增加，其中基底应力和弯矩的增加幅度较大，主要由于波浪力对下部结构作用较为明显.在线性随机波理论的前提下，规则波和随机波与地震联合作用，对结构响应的影响效果是一致的.同时，EL-Centro地震与正弦波浪或随机波浪联合作用较地震单独作用时，顶端的结构响应出现减小的状况，这主要是由于波浪力峰值与地震加速度峰值存在相位差，两者作用下的响应相互抵消，导致结构响应不增反降，但由于波浪力对水中结构的作用，基底应力和弯矩的峰值有较大幅度增加.由此可见，不同地震输入、不同波浪要素下结构响应的增减情况是不同的.

表5 各工况下结构响应极值Table 5 Structure peak response of different cases

3 结论

针对典型海上风机结构，利用ANSYS建立有限元模型，并根据结构固有特性和实际情况选取地震加速度激励和波浪荷载，进行了地震与波浪联合作用下结构动力响应分析.分析结果表明:对于海上风机这种高耸结构，在地震发生的同时，波浪荷载相对较小时，结构顶部响应主要由地震激励引起，波浪所引起的响应较小;但在恶劣海况下，波浪引起的结构响应较大，要充分重视;波浪的存在，对结构下部尤其是基底的响应影响较大;当地震和波浪联合作用时，由于二者的峰值之间存在相位差，因而也会出现结构响应减小的情况.因此，在进行海上风机设计时，有必要考虑地震与波浪联合作用的情况.

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