劉紅軍, 王荃迪, 唐慧玲
(中國(guó)海洋大學(xué) 1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)
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海上風(fēng)電傘式吸力錨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及承載優(yōu)勢(shì)分析
劉紅軍1,2,3, 王荃迪3, 唐慧玲3
(中國(guó)海洋大學(xué) 1.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)
海上風(fēng)電基礎(chǔ)是制約海上風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)重要因素,大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)與效用兼?zhèn)涞男滦突A(chǔ)刻不容緩。本文基于新型的海上風(fēng)電傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF)的已有結(jié)構(gòu),借助大型通用有限元軟件ABAQUS構(gòu)建出一系列不同尺寸的傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF)有限元模型,并通過(guò)模態(tài)分析等動(dòng)力分析得到最佳傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF)結(jié)構(gòu)尺寸,最后,將最佳傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF)與常規(guī)單筒吸力錨基礎(chǔ)在單一荷載下的極限承載力進(jìn)行比較,證明了傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF)具有良好的承載優(yōu)勢(shì)。
傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF);結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);動(dòng)力分析;承載優(yōu)勢(shì)分析;ABAQUS
引用格式:劉紅軍, 王荃迪, 唐慧玲. 海上風(fēng)電傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及承載優(yōu)勢(shì)分析[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(9): 96-101.
LIUHong-Jun,WANGQuan-Di,TANGHui-Ling.Optimumstructuraldesignandloadingadvantageanalysisofumbrellasuctionanchorfoundationforoffshorewindturbine[J].PeriodicalofOceanUniversityofChina, 2016, 46(9): 96-101.
中國(guó)近海風(fēng)能資源十分豐富[1],具有很好的發(fā)展前景。海上風(fēng)電基礎(chǔ)的成本一般可以占到工程成本的20%~30%,它對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的重要性不言而喻[2]。吸力錨基礎(chǔ)由于其可重復(fù)利用性及易于施工的特點(diǎn)越來(lái)越受到關(guān)注[3-4]。海上風(fēng)電傘式吸力錨基礎(chǔ)(USAF,UmbrellaSuctionAnchorFoundation)是一種新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)類型,裙筒和錨枝的特殊設(shè)計(jì)使得它的承載性能和防波浪沖刷能力顯著提高。劉紅軍等[5]對(duì)USAF基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和安裝方法進(jìn)行了說(shuō)明,李洪江等[6]利用上限解法對(duì)USAF基礎(chǔ)在水平力下的承載力進(jìn)行了研究,但USAF基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)還需完善。武科等[7]基于ABAQUS比較得出:筒形基礎(chǔ)筒體的長(zhǎng)徑比對(duì)對(duì)筒形基礎(chǔ)筒體的承載力影響顯著。李大勇等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)得出,裙式吸力錨筒裙的尺寸對(duì)水平承載性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
吳芳和[9]在ANSYS中建立了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的三維有限元模型,并利用ANSYS中的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊,依據(jù)用料最少的原則對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。田樹剛等[10]利用有限元的方法,對(duì)近海風(fēng)電單樁及四樁基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性及地震反應(yīng)進(jìn)行了分析,并驗(yàn)證數(shù)值模型的工程精度。本文將以USAF基礎(chǔ)為研究對(duì)象,通過(guò)模態(tài)分析等動(dòng)力分析對(duì)USAF基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并通過(guò)比較最佳USAF模型與常規(guī)吸力基礎(chǔ)的承載性能,說(shuō)明USAF基礎(chǔ)的承載優(yōu)勢(shì)。
1.1 模型尺寸設(shè)計(jì)
為獲得最優(yōu)尺寸,首先要進(jìn)行合理的尺寸設(shè)計(jì)。李洪江等[6]建議D筒裙/D主筒取值為1.5~2.0,L錨枝/D主筒取值為0.5~1.5。USAF基礎(chǔ)各參數(shù)如圖1所示。
圖1 USAF示意圖
由于主筒設(shè)計(jì)高度主要與實(shí)際工程中對(duì)USAF基礎(chǔ)承載力的設(shè)計(jì)要求有關(guān),故在尺寸設(shè)計(jì)時(shí)只考慮D筒裙/D主筒及L錨枝/D主筒2個(gè)參數(shù),所有模型主筒高度均取作8m,筒裙高度均取作3.5m。為了方便進(jìn)行設(shè)計(jì),固定D主筒為4m,在設(shè)計(jì)D筒裙/D主筒時(shí),固定L錨枝為1m;在設(shè)計(jì)L錨枝/D主筒時(shí),固定D筒裙為8m,具體取值如表1所示。
表1 D筒裙/D主筒及L錨枝/D主筒取值
Note: ①No.ofmodel
1.2 構(gòu)建模型
采用薄殼結(jié)構(gòu)建立USAF基礎(chǔ)有限元模型,主筒頂板厚0.05m,其余部分厚度均為0.02m。整個(gè)模型采用同一種鋼材,彈性模量E=2.1×1011Pa,泊松比,密度為DENS=7 800kg/m3。USAF模型采用三角形對(duì)稱劃分網(wǎng)格,單元類型為S3(三結(jié)點(diǎn)三角形通用殼)。
以模型1-4為例展示有限元模型及網(wǎng)格劃分圖(見(jiàn)圖2)。
圖2 USAF有限元建模與網(wǎng)格劃分
優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用的ABAQUS中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析有:模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。
2.1 模態(tài)分析結(jié)果
圖3為模型1-4的前十階模態(tài)振型。各模型響應(yīng)規(guī)律基本一致,可以看出,USAF基礎(chǔ)的各部分結(jié)構(gòu)振動(dòng)模式不同,總的來(lái)說(shuō),錨枝和筒裙側(cè)壁振動(dòng)比較劇烈,主筒相對(duì)比較穩(wěn)定,因此在USAF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)尤其注意錨枝和筒裙部分。
圖3 模型1-4前十階模態(tài)振型
目前通用的三葉片式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要共振激勵(lì)源是1P和3P頻率。工程上一般要求風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固有頻率避開(kāi)這2個(gè)頻率范圍在±10%左右。
以金風(fēng)1.5MW風(fēng)機(jī)為參考,其1P頻率變化范圍為0.15~0.288Hz[11],為了避免發(fā)生共振,USAF基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振頻率就不應(yīng)處在0.135~0.317Hz,0.405~0.950Hz的范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)USAF基礎(chǔ)時(shí)主要針對(duì)黃河口地區(qū),故以黃河三角洲埕島海域的波浪狀況進(jìn)行考慮:此海域波浪頻率范圍在0.12~0.50Hz左右[12-13]。綜上可知,USAF基礎(chǔ)自振頻率應(yīng)該避免的頻率區(qū)間為0.135~0.950Hz。
由表2可知,模型1-5的前五階自振頻率均處于此區(qū)間,可能出現(xiàn)風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)共振的現(xiàn)象,因此淘汰模型1-5。
表2 前五階振型計(jì)算結(jié)果(單位:Hz)
Note: ①Numberofmodel; ②Firstorder; ③Secondorder; ④Thirdorder; ⑤Fourthorder; ⑥Fifthorder
2.2 諧響應(yīng)分析結(jié)果
諧響應(yīng)分析用于獲得模型在選定的0~100Hz范圍內(nèi)的位移頻率響應(yīng)曲線,然后根據(jù)位移響應(yīng)大小及對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率大小對(duì)模型進(jìn)行比選。對(duì)USAF有限元模型采用完全法(Full)進(jìn)行求解。對(duì)主筒頂部節(jié)點(diǎn)完成加載設(shè)置,加載方向沿水平X軸方向,水平力大小為700kN;只計(jì)算實(shí)響應(yīng),因?yàn)槠鹗碱l率不能為零所以設(shè)置頻率范圍為1E-7~100Hz,點(diǎn)數(shù)為250,即求解頻率從1E-7~100Hz每隔0.4Hz求解一次。
由于模型上節(jié)點(diǎn)眾多,故選取具有代表性的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)明分析結(jié)果。對(duì)于D筒裙/D主筒系列而言,改變的是筒裙的直徑,因此評(píng)價(jià)模型優(yōu)劣的指標(biāo)是筒裙、主筒部分的位移響應(yīng)大小,最大位移出現(xiàn)在X方向;對(duì)于L錨枝/D主筒系列則是錨枝的位移響應(yīng),最大位移出現(xiàn)在Z方向。
從圖4a可知,模型1-1在激勵(lì)頻率為0.803 2Hz時(shí)位移響應(yīng)值最大,達(dá)2m以上,且基礎(chǔ)各部分均發(fā)生較大的位移,因此淘汰模型1-1。
從圖4b、c可以看出,L錨枝/D主筒系列位移較D筒裙/D主筒系列普遍偏小,最大在10cm左右,峰值對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率均在20Hz左右。對(duì)于D筒裙/D主筒系列而言,模型1-4位移響應(yīng)最小,不超過(guò)6cm,因此為D筒裙/D主筒=2為最優(yōu)。
圖4 X方向位移頻率響應(yīng)曲線(主筒頂)
D筒裙/D主筒系列模型錨枝長(zhǎng)度均為1m。
從圖5a中可以看出錨枝豎向位移均達(dá)到m級(jí),可知L錨枝/D主筒取0.25并不合適。
從圖5b中可以看出,雖然模型2-2錨枝豎向位移并不是最小的,但相比于模型2-3、2-4最大位移出現(xiàn)在低頻區(qū)域(0~20Hz范圍內(nèi)),實(shí)際工程中遇到的可能性較大,故最大位移對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為50Hz的模型2-2更為優(yōu)越,即L錨枝/D主筒=0.375為最優(yōu)。
由諧響應(yīng)分析結(jié)果可知,錨枝是整個(gè)USAF基礎(chǔ)最容易發(fā)生破壞的部分,但是由于USAF基礎(chǔ)提供承載力的部分主要是主筒和筒裙,所以即使錨枝發(fā)生破壞也不會(huì)影響到USAF基礎(chǔ)提供承載力的主要功能。
綜上,D筒裙/D主筒=2、L錨枝/D主筒=0.375為最佳USAF模型尺寸,若主筒直徑為4m,則裙筒直徑為8m,錨枝長(zhǎng)度為1.5m。
圖5 Z方向位移頻率響應(yīng)曲線(錨枝)
將最佳USAF基礎(chǔ)與單筒吸力錨基礎(chǔ)在單一荷載下進(jìn)行承載力比較。
本文中采用位移控制法[14]對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)進(jìn)行承載特性分析,當(dāng)位移達(dá)到極限則認(rèn)為超過(guò)極限承載力,土體失效。據(jù)前人研究[15],基礎(chǔ)水平位移極限取基礎(chǔ)寬度的3%~6%,則USAF水平位移極限值取5%D,即20cm,彎曲位移限取0.01rad。
最優(yōu)USAF基礎(chǔ)參數(shù)同動(dòng)力分析部分,為方便計(jì)算,基礎(chǔ)頂蓋厚度均取作0.05m。采用相同用鋼量的單筒吸力錨基礎(chǔ),取高為6m,筒徑為9m,基礎(chǔ)頂蓋厚0.05m,基礎(chǔ)側(cè)壁厚0.02m。根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)得到土體的相應(yīng)參數(shù)如表3所示。
表3 土體參數(shù)
Note: ①Young′smodulus; ②Polsson′sradio; ③CohesionYieldstress; ④Frictionangle; ⑤Massdensity
吸力錨與土體之間采用法向硬接觸,切向接觸表現(xiàn)為“罰”,摩擦系數(shù)為0.33。為合理的消除邊界效應(yīng),土層寬度取10倍筒裙直徑,高度取3倍主筒高。土體四周為水平約束邊界,底部為完全固定,上部為自由面。網(wǎng)格劃分類型為三維8節(jié)點(diǎn)縮減積分(C3D8R)單元。
由圖6可以得出USAF基礎(chǔ)各向承載力相比常規(guī)吸力錨基礎(chǔ)均有較大的提高,其中,USAF水平極限承載力為3.31MN,彎矩為8.65MN·m;對(duì)應(yīng)相同位移時(shí)的單筒吸力錨基礎(chǔ)水平承載力為2.25MN,彎矩為6.57MN·m。也就是說(shuō),USAF基礎(chǔ)水平承載力與單筒的相比提高了47%,彎矩提高了20%,承載優(yōu)勢(shì)明顯。
根據(jù)Taiebat[16]提出的水平極限承載力公式:
Hult=4LNhASu/πD。
式中Nh為水平承載力系數(shù)。
計(jì)算得到單筒基礎(chǔ)水平承載力為2.59MN,而當(dāng)單筒達(dá)到極限位移0.45m時(shí),由圖6a可知對(duì)應(yīng)的承載力約為2.80相對(duì)誤差為8.1%。通過(guò)驗(yàn)算,證明了計(jì)算模型的可靠性。
圖6 USAF模型與單筒基礎(chǔ)承載位移荷載曲線
(1)通過(guò)模態(tài)分析獲得了USAF模型的前五階固有頻率和模態(tài)振型,錨枝和筒裙側(cè)壁振動(dòng)比較劇烈,主筒相對(duì)比較穩(wěn)定。
(2)完成了0~100Hz外荷載激勵(lì)作用下USAF結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析,得到了USAF系列模型各部分的位移-頻率響應(yīng)曲線,指出錨枝作為位移響應(yīng)最顯著的部分,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起足夠的重視;根據(jù)位移響應(yīng)大小及對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率范圍選出USAF模型的最佳尺寸:D筒裙/D主筒=2、L錨枝/D主筒=0.375。
(3)在單一荷載下求解出最佳USAF基礎(chǔ)與單筒吸力錨基礎(chǔ)極限承載力,比較得出:USAF基礎(chǔ)水平承載力與單筒的相比提高了47%,彎矩提高了20%,承載優(yōu)勢(shì)明顯。
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責(zé)任編輯龐旻
Optimum Structural Design and Loading Advantage Analysis ofUmbrellaSuctionAnchorFoundationforOffshoreWindTurbine
LIUHong-Jun1,2,3,WANGQuan-Di3,TANGHui-Ling3
(OceanUniversityofChina, 1.ShandongProvincalKeyLaboratoryofMarineEnvironmencandGeologicalEngineering; 2.TheKeyLabofMarineEnvironmentalScienceandEcology,MinistryofEducation; 3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Qingdao266100,China)
It’sveryurgenttodesignakindofoffshorewindturbinefoundationwhichisveryimportantforoffshorewindturbine.Thearticlebasedontheexistingstructuresofthenewly-designedumbrellasuctionanchorfoundation(USAF)constructsaseriesofdifferentsizesofUSAFmodelsandobtainstheoptimalUSAFmodelbyusingdynamicanalysisfunctionofABAQUS.AcomparisonhasbeenmadebetweentheUSAFmodelandmonocularsuctionanchorunderasingleloadandtheresultsshowstheobviousloadingadvantageofUSAF.
umbrellasuctionanchorfoundation(USAF) ;optimumstructuraldesign;dynamicanalysis;loadingadvantageanalysis;ABAQUS
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4152247);山東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2014GGX104007)資助
2015-12-04;
2016-03-09
劉紅軍(1966-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事海洋工程地質(zhì)、巖土工程方面的教學(xué)與科研。E-mail:hongjun@ouc.edu.cn
TU435
A
1672-5174(2016)09-096-06
10.16441/j.cnki.hdxb.20150408
SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(4152247);theScienceandTechniqueFoundationofShandongProvince(2014GGX104007)