基于ANSYS平台的某风机耦合结构动力分析

□刘　渊　□付　莹（河南省水利第二工程局）



基于ANSYS平台的某风机耦合结构动力分析

□刘渊□付莹（河南省水利第二工程局）

摘要：文章依托ANSYS软件平台，在多种地质弹性模量的作用下，模拟了兆瓦级别的风力发电机有限元三维数值模型的基础，对风机的结构进行地震动力影响分析。并探讨了多种地质弹性模量条件作用下对风机塔架基础的影响，得出了塔架与基础的应力位移特点，为以后类似研究提供参考。

关键词：兆瓦级风机；地震动力分析；多地质弹模；塔架基础；

0　引言

风能很早就被人们所利用，起初主要是通过风车来抽水、磨面等。到十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，使风能的利用进入了人们的视野。随着无污染能源的不断发展，风力发电技术也迅速成长，并成为清洁能源的主力军。我国的风能发展是从近年来开始并不断发展，兆瓦级发电机更是发展迅速。目前，在风机研究方面，我国对风机一体化耦合系统进行了不断研究也取得很大进展，其中祝磊等[1]研究分析了叶片方位角对风机、模态特征的影响，并发现其相互影响很小，但叶片对地震反应变化较大。曹青、张燎军[3]对P-效应、地基及地基与塔架基础与地基土壤的接触使得塔架结构进行分析，得出了各阶自震频率降低显著，尤其高阶频率有很大的影响，同时塔架系统各地震响应也增大明显。在专家研究的基础上，本文对实际工程进行研究，确定了某风电场区最大抗震设防烈度为7度，因此，抗震分析可不考虑其他因素的影响，仅将水平地震的作用进行分析，本文选取宁河天津波数据对风力发电机组进行动力时程分析，记录时长为19.01 s，时间间隔0.01 s，加速度峰值为140.30 cm/s2。从记录中每隔0.10 s取一个值，一共190个。对于设防烈度为7度的罕遇地震，最大加速度为221 cm/s2，将取出的190个地震波数据乘以系数1.56已达到7度罕遇地震的要求，将此地震波作为时程分析的输入数据文件。

1　模型的建立

以某风电场为工程背景，风机基础采用钢筋混凝土台阶扩展独立形式，建立了风机基础钢混组合结构数值模型。为消除边界约束对基础受力的影响，地基范围深度取48 m，水平向取96 m。

2　计算的工况

风机承受的主要荷载为风机机组和塔架结构的自重、叶片的空气动力作用及风机塔架表面的均布风荷载。基础设计时将以上荷载转化为水平力、竖向力、弯矩与扭矩的组合。由厂商和设计单位提供的资料，计算荷载采用极限状态的工况下修正后的荷载：①水平合力Fx=558.23 kN；②竖向力Fz=2.56×103kN；③弯矩合力My=4.42×104kN·m；④扭矩Mz=841.19 kN·m；⑤风机塔架基础自重；⑥风机塔架基础上覆回填土采用梯形荷载进行模拟，土质的容重为18 kN/m3。风机塔架基础、地基材料特性见表1。

表1　材料的物理力学参数表

对组合荷载的施加方法采用刚性区域的处理方式。在基础顶端创建一个无体积质量单元，质量点的位置位于上部塔架与基础的重心轴上，采用无质量刚性梁将质量点与基础钢环顶端节点连接，耦合为刚性区域，程序自动将组合荷载传递到钢环顶面的节点上。如图2顶部所示。

文章选取的地基弹模范围为50～104MPa，模拟地基从极软到极硬的情况，各计算工况见表2。

表2　地基力学特性计算工况表

3　塔架基础结构特性分析

3.1变形和沉降分析

为研究不同地基弹性模型下，地震动力对风机塔架变形规律的影响，对各工况塔筒进行动力分析。选定塔筒顶部的A结点（结点号为97610），通过A结点的y方向位移时程曲线图看出，A结点y方向发生最大应力时刻是11.00 s，可得出不同工况下塔筒3个方向的最大值位移图，如图1-4所示。

图1　工况①～⑤X方向位移图

图2　工况①～⑤Y方向位移图

图3　工况①～⑤Z方向位移图

图4　工况①～⑤Y方向位移图

通过地震动力分析，可得到A结点在五种不同工况下的基础地震时程曲线。

3.2变形和沉降分析结论

一是随着地基弹模的增加，塔筒在X方向弯曲变形最大，在Y、Z方向上位移相对X方向变化微小；二是在工况⑤下，也即地基弹模为10000 MPa时，塔筒在X方向的位移最大，在Z方向的位移最小。且在该工况下，塔筒在Y方向的位移变化最小；三是随着塔筒高度的增大，X、Y、Z三向位移逐渐增加，位移最大点在塔筒顶端，最大位移达到1.20 m；四是由A结点X向位移时程曲线可知，随着地基弹性模量的逐渐变大，塔筒在前6 s的X向位移趋于稳定，而在后13秒的X向位移波动较大；五是地基弹模较大时塔筒达到最大位移的时刻要比地基弹模较小时的早。其中前两个工况下，塔筒位移达到最大的时刻为18.30 s，后三个工况下，塔筒位移达到最大的时刻为12.30 s。

3.3结构应力分析

沿基底X轴中心线均分5个特征结点，通过对最外侧结点（结点号为62574）进行了地震应力时程分析。由不同工况下的地震时程曲线可以看出，在地震波作用下，发生最大应力的时刻为7.80 s，如图5所示。

图5　基础特征点应力最大值图

3.4结构应力分析结论

一是在不同工况下，由应力云图的沉降分布可知，基础大多区域处于受压的状态，且满足混凝土的抗压强度。而是在不同工况下的基础主拉应力相似。最大应力区域位于基础钢环与基础相接触的局部部位出现应力集中，由下向上逐渐增大，基础最大主拉应力为0.67 Mpa。由于主拉应力较小，符合混凝土的抗拉强度，在实际中进行加固处理即可。三是工况①～⑤，基础底部的主压应力逐渐增大，符合实际混凝土抗压强度标准。

由基础特征点应力最大值图可知，工况①～④随着地基弹模的增大，从基础的受压区到受拉区应力值先变大再变小，工况⑤的各个基础特征点应力最大值变化微小。

4　结语

文章通过对MW级风力发电机组一体化体系的敏感性分析。针对我国某省的这种兆瓦级的大型风电机组，其风电场区最大抗震设防烈度达到了7度，建立了风力发电机结构耦联系统的动力学计算分析模型。针对不同岩土地质特性，进行地震动响应分析。研究多参数多工况下耦联系统的动态特性及其响应结果，对风力发电机组基础断面的特征点进行分析，得出了不同的沙土及粘土软质土基上风力发电机组基础应力、位移、加速度在地震波作用下的响应规律，对风力发电机结构的抗震性能进行了工程评价。研究成果对风机基础结构的设计和建造具有理论参考价值，为国内同类项目提供了参考依据。

（责任编辑：刘青）

收稿日期：2015-11-16

中图分类号：U441. 3

文献标识码：A

文章编号：1673-8853（2016）02-0085-02