基于Excel VBA的近海风机基础监测系统的设计

张永利 赵北辰

1.中原工学院建筑工程学院，中国·河南 郑州 451191

2.中国水利水电第十一工程局有限公司，中国·河南 郑州 450001

1 引言

在陆上建风电场，会受到的一些限制，如土地资源有限、公众视觉的干扰、噪声污染、对陆地风景的破坏等。而在海上建风电场则不占用陆上土地，受环境制约少，而且海上平均风速较高，离岸10km 的海上风速比沿岸陆上高约25%[1]。但是，与陆上相比，海上风电机组必须牢固地固定在海底，其支撑结构必须更加坚固，加之建设和维护工作需要使用专业船只和设备，所以海上风电的投资成本要高于陆上，一般是陆上风电投资成本的2～3 倍，其中基础安装费用约占总成本的30%[2-6]。如何降低基础安装费用是当前近海风电场建设所面临的主要挑战。近海风机结构的失效破坏不仅会造成重大的经济损失，还可能造成严重的社会影响。因此，对近海结构进行有效、可靠、实时的健康监测，对于确定损伤位置和损伤程度，估计其残余寿命，安排一定的工程维修等都非常重要。

风机服役期间，近海风机基础的在线荷载测量可用来进行结构的荷载监测及剩余寿命评估。基于测量数据，可实现整体系统功能的优化，而且一旦遇到故障，这些数据还可用于查明引起故障的内在原因。另外，每个风机的实时荷载信息还有助于日常的维护和修理方案的制定，降低运行费用，改善可靠性。论文以EXCEL 为开发平台，融合了FlexPDE、ANSYS 两款软件各自强大的分析功能，设计出了一款十分简洁实用的软件。利用该软件可以实现土体状态及桩体状态评估，在桩体状态评估中可以考虑海床失稳的影响，能够更为真实地模拟桩体的实际受力情况。

2 监测系统设计的原理

2.1 监测系统设计思想

近海风机结构系统包括如下组成部分：叶轮、轮毂、塔架、机械和电力传输系统、运转及安全系统、基础和下伏土[2]。显然，基础和下伏土对于结构的安全极为重要。海洋环境中，海床失稳的现象时有发生。海床失稳一般表现为土体发生位移，其极限形式为剪切破坏、液化和冲刷。土体发生位移，施加于桩体上，将会引起桩身内力和变形的增加，至一定程度，桩体就会发生破坏。因此，近海风机基础体系状态评价需要进行两方面的评估：土体状态评估和桩体状态评估，两者是相互联系的。基于这种思想，论文在Excel VBA 平台上开发了近海风机基础监测系统软件，软件开发流程如图1所示。

图1 软件开发技术流程

2.2 FlexPDE 求解原理

FlexPDE 是美国PDE Solution 公司专门开发的一款完全整合的偏微分方程求解器，可用于求解线性和非线性偏微分方程（组）的数值解。该软件最基本的工作原理是应用Galerkin 法将偏微分方程（组）描述的系统转化为有限元模型进行求解，网格的数量和密度可以根据设定的误差限度自动调整。对于非线性偏微分方程，FlexPDE 使用修正的Newton-Raphson 迭代法来求解[7]。

2.3 ANSYS 求解原理

海洋桩基桩-土结构体系的动力控制方程可以表示为如下形式：

其中，[M]、[C]、[K]分别为结构体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。和{u} 分别是节点的加速度、速度和位移向量，{F(t)} 表示结构的载荷向量[8]。ANSYS 程序根据结构所划分的单元类型及相应的实常数和材料特性自动计算每个单元的质量矩阵、刚度矩阵及荷载向量，然后将各单元的矩阵和向量进行组装，形成整个结构的质量矩阵[M]、刚度矩阵[K]和载荷向量{F(t)} 。NSYS 程序在进行结构分析中，每进行一次迭代会更新一次土体单元的刚度。阻尼矩阵[C]是根据程序输入的α 和β 由下式计算：

接下来，ANSYS 将整个结构的矩阵及载荷向量代入到式（1）中，最后根据已知的初始条件和边界条件，用Newmark 差分法求出各节点的动力响应值。

3 软件设计界面介绍

该软件主要由基本参数输入模块、模型建立与修正模块、计算与评估模块及图形输出与显示模块等四个模块所组成，兼有建模、计算、结果显示及自动生成word 报告文件等功能。不仅可以用于风机基础系统的监测，还可以作为海洋桩基设计软件来使用。下面分别对以上四个模块做简单说明。

3.1 基本参数输入模块

基本参数输入模块的主界面如图2所示。海洋环境参数和地质参数可以由数据采集仪中导入或直接输入，水深、波高、波周期等海洋环境参数将在对应的文本框中显示出来，地质参数信息则在界面左下方的文本框中显示。同时，程序自动将这些基本信息传递至指定的EXCEL 工作表中，波致海床失稳模型及桩基模型也随之更新。

图2 基本参数输入模块界面

3.2 模型建立与修正模块

模型建立与修正模块的主界面如图3所示。基本参数输入后，程序自动建立波致海床失稳模型及桩基模型。若需调整模型，则可以通过点击键，打开模型文件，模型文件名在键右侧的文本框中显示。点击键，对所选择的模型文件进行编辑。图3下端的两个图形文件框显示的是波致海床失稳模型及桩基模型示意图，用鼠标点击图形可以实现放大显示。

图3 模型建立与修正模块界面

3.3 计算与评估模块

图4 计算与评估模块界面

3.4 图形输出与显示模块

模型建立与修正模块的主界面如图5所示，图形显示的是程序的初始界面。点击右侧按键，左侧图形框中输出相应的图形，用鼠标点击图形可以实现放大显示。

图5 图形输出与显示模块界面

4 应用实例

论文以中国东海大桥海上风电场为背景进行设计研究。东海大桥海上风电场是亚洲第一座大型海上风电场，位于上海南汇近海海域，风电机组分布在东海大桥东侧，总装机容量100MW。预计年上网电量2.67 亿度，可以满足上海市40万人的用电需求。场地海洋环境条件及地质条件见文献[9]，在破碎波高（Hb=11.7m）下进行土体状态的评估，图6为分析得到的应力角等值线分布图，图7为土体总有效正应力沿深度的分布图。从图6可以看出，对于同一深度的土体，波峰处的应力角大于波谷处的应力角，波峰处土体将最先发生破坏，根据摩尔-库伦强度准则及土体试验资料，在波峰处约4m 深的土体接近剪切破坏。而图7则显示，约4m 深的土体已发生液化，两者基本一致[9-15]。

图6 应力角等值线的分布

图7 土体有效正应力沿深度的分布

5 结语

近海风机结构监测是检验设计理论、计算方法、施工质量和材料性能的有效手段，从而形成规划设计—施工建设—运行监测的循环系统，促进近海风能工业的不断发展。论文基于Excel VBA 所开发的软件将有助于实现近海风机基础系统安全性的智能控制，有一定的应用价值。