基于ANSYS平臺的某風(fēng)機耦合結(jié)構(gòu)動力分析

□劉　淵　□付　瑩（河南省水利第二工程局）

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基于ANSYS平臺的某風(fēng)機耦合結(jié)構(gòu)動力分析

□劉淵□付瑩（河南省水利第二工程局）

摘要：文章依托ANSYS軟件平臺，在多種地質(zhì)彈性模量的作用下，模擬了兆瓦級別的風(fēng)力發(fā)電機有限元三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)，對風(fēng)機的結(jié)構(gòu)進行地震動力影響分析。并探討了多種地質(zhì)彈性模量條件作用下對風(fēng)機塔架基礎(chǔ)的影響，得出了塔架與基礎(chǔ)的應(yīng)力位移特點，為以后類似研究提供參考。

關(guān)鍵詞：兆瓦級風(fēng)機；地震動力分析；多地質(zhì)彈模；塔架基礎(chǔ)；

0　引言

風(fēng)能很早就被人們所利用，起初主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等。到十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國的一次狂暴大風(fēng)，使風(fēng)能的利用進入了人們的視野。隨著無污染能源的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也迅速成長，并成為清潔能源的主力軍。我國的風(fēng)能發(fā)展是從近年來開始并不斷發(fā)展，兆瓦級發(fā)電機更是發(fā)展迅速。目前，在風(fēng)機研究方面，我國對風(fēng)機一體化耦合系統(tǒng)進行了不斷研究也取得很大進展，其中祝磊等[1]研究分析了葉片方位角對風(fēng)機、模態(tài)特征的影響，并發(fā)現(xiàn)其相互影響很小，但葉片對地震反應(yīng)變化較大。曹青、張燎軍[3]對P-效應(yīng)、地基及地基與塔架基礎(chǔ)與地基土壤的接觸使得塔架結(jié)構(gòu)進行分析，得出了各階自震頻率降低顯著，尤其高階頻率有很大的影響，同時塔架系統(tǒng)各地震響應(yīng)也增大明顯。在專家研究的基礎(chǔ)上，本文對實際工程進行研究，確定了某風(fēng)電場區(qū)最大抗震設(shè)防烈度為7度，因此，抗震分析可不考慮其他因素的影響，僅將水平地震的作用進行分析，本文選取寧河天津波數(shù)據(jù)對風(fēng)力發(fā)電機組進行動力時程分析，記錄時長為19.01 s，時間間隔0.01 s，加速度峰值為140.30 cm/s2。從記錄中每隔0.10 s取一個值，一共190個。對于設(shè)防烈度為7度的罕遇地震，最大加速度為221 cm/s2，將取出的190個地震波數(shù)據(jù)乘以系數(shù)1.56已達到7度罕遇地震的要求，將此地震波作為時程分析的輸入數(shù)據(jù)文件。

1　模型的建立

以某風(fēng)電場為工程背景，風(fēng)機基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土臺階擴展獨立形式，建立了風(fēng)機基礎(chǔ)鋼混組合結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。為消除邊界約束對基礎(chǔ)受力的影響，地基范圍深度取48 m，水平向取96 m。

2　計算的工況

風(fēng)機承受的主要荷載為風(fēng)機機組和塔架結(jié)構(gòu)的自重、葉片的空氣動力作用及風(fēng)機塔架表面的均布風(fēng)荷載?；A(chǔ)設(shè)計時將以上荷載轉(zhuǎn)化為水平力、豎向力、彎矩與扭矩的組合。由廠商和設(shè)計單位提供的資料，計算荷載采用極限狀態(tài)的工況下修正后的荷載：①水平合力Fx=558.23 kN；②豎向力Fz=2.56×103kN；③彎矩合力My=4.42×104kN·m；④扭矩Mz=841.19 kN·m；⑤風(fēng)機塔架基礎(chǔ)自重；⑥風(fēng)機塔架基礎(chǔ)上覆回填土采用梯形荷載進行模擬，土質(zhì)的容重為18 kN/m3。風(fēng)機塔架基礎(chǔ)、地基材料特性見表1。

表1　材料的物理力學(xué)參數(shù)表

對組合荷載的施加方法采用剛性區(qū)域的處理方式。在基礎(chǔ)頂端創(chuàng)建一個無體積質(zhì)量單元，質(zhì)量點的位置位于上部塔架與基礎(chǔ)的重心軸上，采用無質(zhì)量剛性梁將質(zhì)量點與基礎(chǔ)鋼環(huán)頂端節(jié)點連接，耦合為剛性區(qū)域，程序自動將組合荷載傳遞到鋼環(huán)頂面的節(jié)點上。如圖2頂部所示。

文章選取的地基彈模范圍為50～104MPa，模擬地基從極軟到極硬的情況，各計算工況見表2。

表2　地基力學(xué)特性計算工況表

3　塔架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性分析

3.1變形和沉降分析

為研究不同地基彈性模型下，地震動力對風(fēng)機塔架變形規(guī)律的影響，對各工況塔筒進行動力分析。選定塔筒頂部的A結(jié)點（結(jié)點號為97610），通過A結(jié)點的y方向位移時程曲線圖看出，A結(jié)點y方向發(fā)生最大應(yīng)力時刻是11.00 s，可得出不同工況下塔筒3個方向的最大值位移圖，如圖1-4所示。

圖1　工況①～⑤X方向位移圖

圖2　工況①～⑤Y方向位移圖

圖3　工況①～⑤Z方向位移圖

圖4　工況①～⑤Y方向位移圖

通過地震動力分析，可得到A結(jié)點在五種不同工況下的基礎(chǔ)地震時程曲線。

3.2變形和沉降分析結(jié)論

一是隨著地基彈模的增加，塔筒在X方向彎曲變形最大，在Y、Z方向上位移相對X方向變化微??；二是在工況⑤下，也即地基彈模為10000 MPa時，塔筒在X方向的位移最大，在Z方向的位移最小。且在該工況下，塔筒在Y方向的位移變化最?。蝗请S著塔筒高度的增大，X、Y、Z三向位移逐漸增加，位移最大點在塔筒頂端，最大位移達到1.20 m；四是由A結(jié)點X向位移時程曲線可知，隨著地基彈性模量的逐漸變大，塔筒在前6 s的X向位移趨于穩(wěn)定，而在后13秒的X向位移波動較大；五是地基彈模較大時塔筒達到最大位移的時刻要比地基彈模較小時的早。其中前兩個工況下，塔筒位移達到最大的時刻為18.30 s，后三個工況下，塔筒位移達到最大的時刻為12.30 s。

3.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

沿基底X軸中心線均分5個特征結(jié)點，通過對最外側(cè)結(jié)點（結(jié)點號為62574）進行了地震應(yīng)力時程分析。由不同工況下的地震時程曲線可以看出，在地震波作用下，發(fā)生最大應(yīng)力的時刻為7.80 s，如圖5所示。

圖5　基礎(chǔ)特征點應(yīng)力最大值圖

3.4結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)論

一是在不同工況下，由應(yīng)力云圖的沉降分布可知，基礎(chǔ)大多區(qū)域處于受壓的狀態(tài)，且滿足混凝土的抗壓強度。而是在不同工況下的基礎(chǔ)主拉應(yīng)力相似。最大應(yīng)力區(qū)域位于基礎(chǔ)鋼環(huán)與基礎(chǔ)相接觸的局部部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，由下向上逐漸增大，基礎(chǔ)最大主拉應(yīng)力為0.67 Mpa。由于主拉應(yīng)力較小，符合混凝土的抗拉強度，在實際中進行加固處理即可。三是工況①～⑤，基礎(chǔ)底部的主壓應(yīng)力逐漸增大，符合實際混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)。

由基礎(chǔ)特征點應(yīng)力最大值圖可知，工況①～④隨著地基彈模的增大，從基礎(chǔ)的受壓區(qū)到受拉區(qū)應(yīng)力值先變大再變小，工況⑤的各個基礎(chǔ)特征點應(yīng)力最大值變化微小。

4　結(jié)語

文章通過對MW級風(fēng)力發(fā)電機組一體化體系的敏感性分析。針對我國某省的這種兆瓦級的大型風(fēng)電機組，其風(fēng)電場區(qū)最大抗震設(shè)防烈度達到了7度，建立了風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)耦聯(lián)系統(tǒng)的動力學(xué)計算分析模型。針對不同巖土地質(zhì)特性，進行地震動響應(yīng)分析。研究多參數(shù)多工況下耦聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)特性及其響應(yīng)結(jié)果，對風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)斷面的特征點進行分析，得出了不同的沙土及粘土軟質(zhì)土基上風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)應(yīng)力、位移、加速度在地震波作用下的響應(yīng)規(guī)律，對風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)的抗震性能進行了工程評價。研究成果對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造具有理論參考價值，為國內(nèi)同類項目提供了參考依據(jù)。

（責(zé)任編輯：劉青）

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：U441. 3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）02-0085-02