基于SoIidworks simuIation的高桩承台基础环的有限元分析

贾晓辉，孙 辉

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222042）

基于SoIidworks simuIation的高桩承台基础环的有限元分析

贾晓辉，孙 辉

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222042）

文章以中交三航局响水近海风电场项目为参照工程实例，详细介绍了通过Solidworks simulation对高桩承台基础的基础环进行有限元分析的情况，重点对基础环，基础环的有限元分析等情况进行了描述，为国内从事海上风电工程的设计单位，施工单位和有限元分析爱好者增加了更好的交流和学习的机会。

海上风电；高桩承台；基础环；simulation；有限元分析

江苏响水近海风电场项目由中国三峡投资、中交三航局（江苏分公司）承建，本工程总装机容量为202MW，共计55台风电机组，布置37台单机容量4.0MW的西门子风电机组（35台基础环基础，2台预应力螺栓试验基础）、18台单机容量3.0MW的金风风电机组（16台无过渡段式单桩基础，2台负压桶式试验基础），风电场配套设置一座位于场区中部的100m高自立式海上测风塔、一座220kV海上升压站和一座220kV陆上升压站。西门子风电机组均采用高桩承台基础，其中基础环基础的基础环及其受力情况将在本文中进行详细介绍。

1　基础环介绍

基础环，直径5.042m，高度8.19m，重量64.7t，由上法兰、下法兰、筒体和加强环板组成：

上法兰：厚度126mm，材质Q345E-Z35。 下法兰：厚度70mm，材质Q345E-Z35。

筒体：厚度54mm，材质Q345D-Z25。 加强环板：厚度40mm，材质Q345D-Z25。

图1　基础环法整体锻造

基础环法兰为整体锻造（见图1），处理状态为正火和回火，锻件100%超声波探伤（UT）合格，基础环所有焊缝均为全熔透，焊缝质量等级为一级，检查要求100%超声波探 伤（UT）和100%磁粉探伤（MT）合格。

基础环通过加强环板与基础桩体的十字板焊接连接，通过上法兰与下部塔筒进行螺栓连接，在风机整体中起承载和纽带作用，同时也是焊接的困难点，所以基础环的有限元分析显得尤为重要。

2　基础环有限元分析

有限元分析可分为静态分析、动态分析、疲劳分析、散热分析、流体动力学分析和其它分析，考虑到基础环实际情况，本文只采用静态分析。

有限元分析顺序可分为：模型简化、前处理、后处理。

2.1模型简化

（1）特征简化：基础环倒角不影响整体分析，进行简化。

（2）零件简化：基础环无零件需要简化。

2.2前处理

（1）干涉检查：无干涉。

（2）分析类型：静应力分析

（3）材料加载：基础环材质都为Q345低合金高强度钢，其弹性模量为210000N/mm2，中泊松比为0.28，质量密度为7700kg/m3，屈服强度为620.42N/mm2。

（4）夹具：考虑到基础环实际情况，对下法兰的下表面进行法向约束；又因其符合应力云图对称分布：①三维模型对称②材料对称③边界条件对称，所以对基础环进行1/8简化操作，简化后的切面进行约束，有两种方法：①周期对称的对应面约束②在平面上的单边约束；简化后存在刚性位移问题，可利用软弹簧或惯性卸除。

（5）连结：两种方法：①接触面组：接触前先通过配置进行爆炸视图操作，以便于相触面组的选择，基础环的相触面组有两组，分别为上法兰的下表面和筒体的上表面、下法兰的上表面和筒体的下表面，接触类型为接合。②零部件相触：选择全局接触，接触类型为接合，网格选择兼容。

（6）外部载荷：考虑到基础环实际情况，对上法兰的上表面进行法向施力；

基础环除了受到上部塔筒、机舱和叶轮的重量，还受到吊装时平衡梁和上部吊架的重量，所以最终合计最大承载重量940t，由G=m×g可知，施加的法向力F1=9212kN（经过上述1/8简化操作，受力面也只要1/8，所以F2=1151.5kN），因为只有一个方向的力，所以按条目和按总数都可以（如果该力完全作用于基础环，将导致严重变形）；因考虑到除了基础环以外还有混凝土、桩基和十字板进行承载，所以添加F3=F2/2=575.75kN作为外部载荷，使得分析结果更合理、更具说服力。

（7）网格：网格参数选择标准网格，网格大小为80mm，公差为4mm；经过初步的受力分析，可知基础环应力集中点在筒体中部的椭圆处，所以对该处进行网格控制，为了减少软件运行内存和节约运算时间，对椭圆处上下各50mm处进行分割处理，网格控制设置为按照零件大小使用或者网格大小为20mm，倍率（变化率）为1.1；通过调整网格大小，观察应力云图的von Mises应力值无变化，可知基础环无应力奇异点；单元形状为高宽比例，网格品质由图2可知，设置合理；网格精度参照以下标准：

①应力最大值（红色）完全包括两个单元格。由图1可知，满足要求。②（单元应力-节点应力）/单元应力＜5%；

网格精度两项标准都符合要求，说明网格设置合理。

2.3后处理（见图2、图3）

（1）当F2=1151.5kN时，各分析结果情况：

应力：von Mises应力 ：2.066×107N/m2＜ 屈服力为6.204×108N/m2合理；

图2　椭圆孔网格控制受力图

INT：应力强度（P1-P3） ：2.091×107N/m2；

位移：RFRES：合力反作用力 ：1.373×104N；

URES：合位移 ：4.304×106am；

应变：ESTRN：对等应变 ：8.394×10-5；

ENERGY：总应变能 ：3.791×10-2N.m；

最小安全系数：27.2；

（2）当F3=575.75kN时，各分析结果情况：

应力：von Mises应力 ：1.033×107N/m2＜ 屈服力为6.204×108N/m2合理；

INT：应力强度（P1-P3） ：1.045×107N/m2；

位移：RFRES：合力反作用力 ：6.867×103N；

URES：合位移 ：2.152×106am；

应变：ESTRN：对等应变 ：4.197×10-5；

ENERGY：总应变能 ：9.477×10-3N.m；

最小安全系数：54.41；

鉴于本文只对基础环进行静态分析，而非设计分析，所以不进行优化分析。

3　结束语

文章主要从对工程整体情况和风电机组概述的介绍，到对高桩承台基础基础环的了解，再到对基础环模型进行简化、类型分析、材料加载、约束、载荷、接触和网格离散化的学习，最后到对基础环各个应力、位移和应变的叙述，具体的介绍了基础环从建模到有限元分析过程中的各个难点和注意点，有利于我们对基础环和有限元分析有更多的了解和学习，Solidworks simulation的有限元分析的应用在国内目前还处于摸索和积累经验的阶段，期望今后有关设计单位、施工企业和有限元分析爱好者多进行实践和推广，积累足够的实践研究数据，为以后Solidworks simulation的有限元分析的应用在海上风电工程或者各个领域的实践应用提供可靠的依据和借鉴。

［1］陈超祥.SoIidworks SimuIation基础教程（2014版）［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［2］陈永当，任慧娟，武欣竹.基于SoIidworks SimuIation的有限元分析方法［M］.西安：西安出版社，2011.

TU753.2

A

1671-3818（2016）09-0229-02