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      機(jī)械振動和地震激勵下的風(fēng)電基礎(chǔ)動力仿真

      2021-03-30 02:10:18徐騰飛張圣東游世輝
      關(guān)鍵詞:機(jī)械振動曲線圖黏性

      徐騰飛,張圣東,游世輝

      (1.棗莊市船舶檢驗中心,棗莊277400;2.棗莊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,棗莊277000)

      0 引言

      風(fēng)能是近期內(nèi)最具大規(guī)模開發(fā)利用價值的可再生能源,而目前風(fēng)能利用最直接的方式就是風(fēng)力發(fā)電[1].在強(qiáng)震作用下,可能會引起風(fēng)電塔的倒塌等其他形式的破壞.風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時產(chǎn)生的機(jī)械振動激勵也對其壽命有相當(dāng)大的影響.因此探索風(fēng)電基礎(chǔ)在機(jī)械振動激勵和地震激勵作用下的動力響應(yīng)具有重大意義.有限元法是目前研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力響應(yīng)使用較多的方法之一.在有限元分析方面,柳國環(huán)等[2]用數(shù)值模擬方法研究了在強(qiáng)地震作用下的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)響應(yīng).沈華等[3]基于風(fēng)電塔低阻尼特性建立了在不同設(shè)計使用期的地震作用計算模型.在模態(tài)分析方面,靳軍偉等[4]研究了風(fēng)電系統(tǒng)各部分參數(shù)對風(fēng)電基礎(chǔ)模態(tài)的影響程度.韓花麗等[5]提出了結(jié)合激勵荷載的性質(zhì)、基于風(fēng)電自身特征的模態(tài)振動分析,修正地震效應(yīng)的疊加方法,并將其應(yīng)用于風(fēng)電的地震作用動力分析計算.

      本文對風(fēng)電基礎(chǔ)的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了求解.并用振動分析的計算方法,基于Matlab/Simulink數(shù)學(xué)軟件,對風(fēng)電基礎(chǔ)在機(jī)械振動激勵和地震激勵作用下的動力響應(yīng)分別進(jìn)行了分析,得出相關(guān)的位移、速度和加速度時程曲線,并探討了不同動力學(xué)參數(shù)及不同類型地震波對風(fēng)電基礎(chǔ)動力響應(yīng)的影響,為后續(xù)風(fēng)電的安全性設(shè)計提供一定的參考.

      1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的動力學(xué)參數(shù)計算

      1.1 地基阻尼系數(shù)的計算

      假設(shè)基礎(chǔ)振動引起的波動在基礎(chǔ)底面呈平面波形狀,如圖1所示.

      圖1 垂直振動的波動逸散圖

      式中,uz0為基礎(chǔ)板位移振幅,ρ為質(zhì)量密度,為地基縱波波速;λ,G為拉梅常數(shù).

      基礎(chǔ)與地基接觸面上的應(yīng)力為

      基礎(chǔ)板振動速度為

      設(shè)基礎(chǔ)板底面積為A,則基礎(chǔ)與地基接觸面上的波動反力為

      由此可得,基礎(chǔ)逸散阻尼力與基礎(chǔ)板振動速度u˙z0成正比,其系數(shù)ρVpA即為垂直振動時等效黏性阻尼系數(shù)

      1.2 矩形地基剛度的計算

      圓形地基的剛度理論計算已有較多研究,本文在Sung的研究基礎(chǔ)上研究了解析法求解矩形基礎(chǔ)-地基剛度和阻尼系數(shù)[6],原理與圓形表面基礎(chǔ)地基剛度的計算相同.本節(jié)用基底應(yīng)力分布有限元方法進(jìn)行驗證,將結(jié)果與Sung論研究進(jìn)行比較.

      1.2.1 風(fēng)力電基礎(chǔ)靜剛度分析

      風(fēng)力電基礎(chǔ)為矩形擴(kuò)展基礎(chǔ),分三層,每層高1 m,底層長為12 m,寬為8 m,頂層長為4 m,寬為3 m.埋于地下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)上部質(zhì)量為2000 t,均勻作用在基礎(chǔ)頂部.定義地基為同一類型土,地基土為一上表面以基礎(chǔ)頂部中心為中心的長方體,長方體長和寬都為48 m,高10 m.本文考慮C15混凝土基礎(chǔ)-碎石土地基和C25混凝土基礎(chǔ)-碎石土地基另種組合,其相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示.

      表1 混凝土的彈性模量、泊松比和密度參考值

      表2 地基(土)的彈性模量和泊松比參考值

      為求解基底土反力分布,我們?nèi)∵^基礎(chǔ)底面長邊方向上某一條直線為計算路徑,并對模型頂部加載均布力15915 N/m2,固定土層的前后左右及底面五個面.

      由地基剛度計算方法,通過ANSYS導(dǎo)出基底反力曲線圖,如圖2和圖4所示.并將反力數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro軟件,可以求得地基靜剛度系數(shù)與位移的曲線,如圖3和圖5所示:

      圖2 C15基底反力曲線圖

      圖3 C15基礎(chǔ)剛度位移曲線圖

      圖4 C25基底反力曲線圖

      圖5 C25基礎(chǔ)剛度位移曲線圖

      由上述組圖可以看出,土反力曲線基本為拋物線形狀,這與Sung的土反力理論假設(shè)基本符合.同時,基礎(chǔ)底板的剛度雖然有些呈遞增趨勢,有些呈遞減趨勢,但兩者的趨勢都與理論相符.

      1.2.2 風(fēng)電基礎(chǔ)的動剛度分析

      在基礎(chǔ)頂部作用垂直動荷載20 t,持續(xù)時間為1 s,取過基礎(chǔ)底面長邊方向上的某一條直線為計算路徑,固定土層的前后左右及底面五個面,最后用ANSYS求解,取0.75 s時得到的結(jié)果.

      圖6 C15基礎(chǔ)剛度位移曲線圖

      圖7 C25基礎(chǔ)剛度位移曲線圖

      在垂直動荷載的作用下,同一時刻、同一路徑上基礎(chǔ)底板的剛度有隨著基礎(chǔ)底板位移的增大而減小,也有隨著基礎(chǔ)底板位移的減小而增大.這兩種趨勢與垂直靜力作用下基礎(chǔ)底板剛度的變化是一致的.也就是說在這一時刻,這一變化與Sung的假設(shè)理論是相符的.

      風(fēng)電基礎(chǔ)受機(jī)械振動激勵和地震激勵時的動力學(xué)方程可表示為:

      式中m為質(zhì)量,c為阻尼,k為剛度,x¨(t)、x˙(t)、x(t)分別為結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移.F(t)為簡諧激勵力或隨機(jī)力.

      2.1 機(jī)械振動激勵作用下的風(fēng)電基礎(chǔ)響應(yīng)

      某風(fēng)電廠制造的GW87/1500大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)總質(zhì)量約193188 kg,額定功率1500 kW,轉(zhuǎn)輪直徑88 m,輪轂高度70 m.葉輪直徑3.73 m,高4.875 m,葉輪重量13850 kg,單根葉片長度43 m,單根葉片重量6400 kg,一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常有3根葉片.切入風(fēng)速3 m/s,額定風(fēng)速10 m/s,切出風(fēng)速22 m/s,最大安全風(fēng)速52.5 m/s,其發(fā)電機(jī)的額定功率1580 kW,額定轉(zhuǎn)速20.5 r/min,并網(wǎng)轉(zhuǎn)速10.6 r/min.以額定轉(zhuǎn)速得到工作時的角速度約為2.16 rad/s,對質(zhì)量配平過的風(fēng)輪需要考慮0.005R的質(zhì)量偏心距,則本例中的偏心距約為0.44 m,風(fēng)電基礎(chǔ)所受的機(jī)械振動簡諧激勵力為64847.2sin2.16t N.多孔砂巖的剛度系數(shù)為400 kN/m.本文計算案例風(fēng)電基礎(chǔ)為混凝土材料,剛度取500 kN/m,本文設(shè)黏性阻尼系數(shù)為0.2,質(zhì)量約330000 kg,取樣時間30 s.

      圖8 風(fēng)電基礎(chǔ)位移時程曲線圖

      圖9 風(fēng)電基礎(chǔ)速度時程曲線圖

      圖10 風(fēng)電基礎(chǔ)加速度時程曲線圖

      由圖8~圖10可得風(fēng)電基礎(chǔ)的位移最大值為5.3919×10-7m,最小值為-5.4192×10-7m;速度的最大值為8.3232×10-7m/s,最小值為-8.3196×10-7m/s;加速度的最大值為1.41×10-6m/s2,最小值為-1.41×10-6m/s2.

      2.2 地震激勵作用下的風(fēng)電基礎(chǔ)響應(yīng)

      目前通用的三種強(qiáng)震記錄,分別選用El-centro地震波,1940年監(jiān)測,震級為7.1級,時間間隔0.02 s,持續(xù)時間54 s,加速度峰值341.7 cm/s2,南北方向,適用于中軟場地.天津地震波,1976年監(jiān)測,震級6.9級,時間間隔0.01 s,持續(xù)時間19.20 s,加速度峰值147 cm/s2,適用于軟弱場地,天津波相對比較安全,南北向常用.Taft地震波,1952年監(jiān)測,震級為7.4級,時間間隔0.02 s,持續(xù)時間35.2 s,加速度峰值152.7 cm/s2,上下方向,適用于中硬場地.本文以天津波作用于風(fēng)電基礎(chǔ)得到其圖像和時程曲線分別如下:

      圖11 天津地震波圖像

      圖12 風(fēng)電基礎(chǔ)位移時程曲線圖

      圖13 風(fēng)電基礎(chǔ)速度時程曲線圖

      圖14 風(fēng)電基礎(chǔ)加速度時程曲線圖

      由圖11~圖14可得風(fēng)電基礎(chǔ)發(fā)生的位移最大值為1.8568×10-5m,最小值為-8.517×10-6m;速度最大值為6.3114×10-5m/s,最小值為-5.9503×10-5m/s;加速度最大值為5.0371×10-7m/s2,最小值為5.0371×10-7m/s2.

      3.1 阻尼對風(fēng)電基礎(chǔ)動力響應(yīng)的影響

      本節(jié)僅選取El-centro地震波作用下的風(fēng)電基礎(chǔ)的時程響應(yīng)曲線作為對比,質(zhì)量330000 kg,剛度500 kN/m.改變黏性阻尼系數(shù)的大小,單位N/s·m.圖15(a)、圖15(b)、圖15(c)、圖15(d)分別是黏性阻尼系數(shù)C為0.1、0.2、0.3、0.4時風(fēng)電基礎(chǔ)的位移時程曲線圖.

      圖15 風(fēng)電基礎(chǔ)的位移時程曲線圖

      通過多次改變黏性阻尼系數(shù)C的值(0<C<1),發(fā)現(xiàn)同等條件下,不論如何改變C的值,其位移,速度和加速度的時程響應(yīng)曲線都基本不變.

      3.2 剛度對風(fēng)電基礎(chǔ)動力響應(yīng)的影響

      本節(jié)僅選取Taft地震波作用下的風(fēng)電基礎(chǔ)時程響應(yīng)曲線作為對比,風(fēng)電基礎(chǔ)質(zhì)量330000kg,黏性阻尼系數(shù)阻尼為0.2,改變剛度的大小,單位為kN/m.圖16(a)、圖16(b)、圖16(c)、圖16(d)分別是k為300、400、500、700時的風(fēng)電基礎(chǔ)位移時程曲線圖.

      圖16 風(fēng)電基礎(chǔ)位移時程曲線圖

      在k=300kN/m時位移的最大值為2.5121×10-8m,最小值為-2.5942×10-8m;在k=400kN/m時位移的最大值為37750×10-8m,最小值為-3.9917×10-8m.在k=500kN/m位移最大值為3.1485×10-8m,最小值為-3.6499×10-8m,在k=700kN/m時位移的最大值為4.1162×10-8m,最小值為-4.5071×10-8m.由以上結(jié)果可明顯得出,質(zhì)量和黏性阻尼系數(shù)一定時,一定范圍內(nèi),剛度增加,則位移隨之增大.

      4 結(jié)論

      本文基于有限元軟件ANSYS對風(fēng)電基礎(chǔ)的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計算,采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來對風(fēng)電基礎(chǔ)受機(jī)械振動激勵和地震激勵的動力響應(yīng)進(jìn)行了初步研究,并基于Simulink軟件對風(fēng)電基礎(chǔ)在不同激勵下的動力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得出了結(jié)構(gòu)的加速度、速度、位移時程曲線.并對動力學(xué)參數(shù)對其最終動力響應(yīng)的影響程度進(jìn)行研究.

      (1)本文基于理想的模型與約束條件下,基于有限元軟件ANSYS對風(fēng)電基礎(chǔ)的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行簡要計算,就某一時刻而言,動力作用下的結(jié)果與靜力作用時是一致的.

      (2)風(fēng)電基礎(chǔ)在機(jī)械振動激勵下的響應(yīng)是瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)綜合的結(jié)果,若機(jī)械激勵持續(xù)不斷,風(fēng)電基礎(chǔ)的振動也不會停止,隨著激勵響應(yīng)達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài).在剛度、阻尼一定時,風(fēng)電基礎(chǔ)的質(zhì)量越大,機(jī)械振動激勵對風(fēng)電基礎(chǔ)的影響越小.

      (3)風(fēng)電基礎(chǔ)在地震激勵作用下的最終響應(yīng)狀態(tài)是由所輸入的地震激勵狀態(tài)所決定的,即不同震級的地震對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響明顯不同,地震波的峰值加速度越大,風(fēng)電基礎(chǔ)越容易遭受破壞.

      (4)在同樣的地震波激勵作用下,風(fēng)電基礎(chǔ)的動力響應(yīng)與黏性阻尼系數(shù)的大小無關(guān),而剛度大小的改變對其最終的動力響應(yīng)有明顯影響,在一定范圍內(nèi),隨著剛度的增加,風(fēng)電基礎(chǔ)位移、速度波動越大.

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