基于abaqus的風(fēng)力發(fā)電機組樁柱形支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析

基于abaqus的風(fēng)力發(fā)電機組樁柱形支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析

0風(fēng)電機組開發(fā)中的波浪載荷研究能源是現(xiàn)代社會不可或缺的資源，也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的直接推動力?，F(xiàn)在，人類使用的能源大部分是石油、天然氣、煤炭等化石能源。然而，科學(xué)家們證明了石化能源是有限的，沒有是從中受益的。地球上的煤炭、石油和其他資源很快就會發(fā)展起來。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，世界上的煤炭可以開采200年，石油和天然氣可以開采50年。在這樣的時代背景之下,面對著日益嚴重的資源危機和環(huán)境問題的挑戰(zhàn),人類開始尋找在傳統(tǒng)能源之外的新型能源——可再生而且環(huán)保的清潔能源.風(fēng)能以其結(jié)構(gòu)簡單,技術(shù)成熟成為眾多清潔能源中的佼佼者.目前各個國家,尤其是歐洲國家正在大力研究風(fēng)能技術(shù),發(fā)展風(fēng)能產(chǎn)業(yè),建設(shè)并投入使用了許多陸上和海上風(fēng)電場.伴隨著這股新能源的開發(fā)大潮,海上風(fēng)電場的建設(shè)日益成為當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域的熱點問題.目前我國的海上風(fēng)電場建設(shè)尚處于起步階段,國家首個風(fēng)電場示范工程——東海大橋風(fēng)電場項目正在建設(shè)過程中,風(fēng)電機組的許多關(guān)鍵技術(shù)還在進一步探索和研究當(dāng)中,海洋環(huán)境載荷分析便是關(guān)鍵技術(shù)之一.在海洋風(fēng)電場所處的近岸海域,波浪載荷是一類重要的海洋環(huán)境載荷.當(dāng)波浪與結(jié)構(gòu)物發(fā)生作用后,在結(jié)構(gòu)物附近,波面將發(fā)生復(fù)雜的非線性變形,理論分析較為困難,在工程中計算和分析的難度很大.在另一方面,支撐結(jié)構(gòu)是風(fēng)電機組的基礎(chǔ),支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接決定了風(fēng)電機組的安全性,可靠性和穩(wěn)定性.從投資比例來看,陸上風(fēng)電機組的支撐結(jié)構(gòu)投資占到總投資額的9%,海上風(fēng)電機組的支撐結(jié)構(gòu)投資更是占到總投資額的25%,可見其重要程度.綜上所述,研究作用于風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)上的波浪力是風(fēng)電機組開發(fā)中的核心和關(guān)鍵技術(shù).因此,正確計算和分析支持結(jié)構(gòu)所承載的波浪載荷不僅對于波浪理論具有重要意義,還具備充分的工程應(yīng)用價值.1波浪理法和水動力系數(shù)工程上對于尺度較小的結(jié)構(gòu)物,目前廣泛采用Morison公式來計算結(jié)構(gòu)所承載的波浪載荷.計算的基本過程是:(1)選擇合適的波浪理論(線性波浪理論或者視需要選擇其他高階波浪理論);(2)根據(jù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)以及其他相關(guān)參數(shù)選擇合適的水動力系數(shù):拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM;(3)應(yīng)用莫里森公式(Morrison’sEquation).1.1小柱式樁柱的波浪力計算海洋風(fēng)力發(fā)電機組的支撐結(jié)構(gòu)存在多種形式,有單樁式,三角架式,群樁式,重力式,導(dǎo)管架式等多種.歸納起來,單樁式和重力式可以看作是浸入水中的直立樁柱,而三樁式,群樁式可以看作多根不同角度傾斜浸入水中的樁柱的組合.因此對直立和傾斜樁柱的波浪力分析能很好地反映工程實際.假定有一柱體,直立在水深為d的海底上,波高為H的入射波沿著x正方向傳播,圓柱體中軸線與靜水面的焦點為坐標(biāo)軸原點,z軸垂直向上,模型示意圖如圖1所示.根據(jù)挪威船級社(DNV)規(guī)范,位于樁柱任意高度z處的一個單位長度的微段,其收到的水平波浪力按Morison方程計算:fΗ=fD+fΙ=12CDρDu|u|+CΜρπD24˙u(1)fH=fD+fI=12CDρDu|u|+CMρπD24u˙(1)Morison公式中的u和˙uu˙隨選擇的波浪理論不同而異.在工程實際中,要針對柱體所在的海域的水深和設(shè)計波的波高,周期等條件綜合考慮選用合適的波浪理論來確定u和˙uu˙,同時合理選擇水動力系數(shù)CD和CM.本文在分析和計算中采用線性波理論.線性波是指波高H與波長L,水深d相比為小量的波,線性波理論也稱作Airy理論或正弦波理論.線性波的波面方程為:η=Η2cos(kx-ωt)(2)η=H2cos(kx?ωt)(2)根據(jù)線性波浪理論,帶入Morison方程,考慮圓柱軸心上x=0,則單位圓柱上的水平波浪力:f=fD+fΙ=12ρCDDu|u|+ρCΜπD24˙u=12ρCDDω2Η24cosh2k(d+z)sinh2kdcos(ωt)|cos(ωt)|-ρCΜπD24ω2Η2coshk(d+z)sinhkdsin(ωt)(3)f=fD+fI=12ρCDDu|u|+ρCMπD24u˙=12ρCDDω2H24cosh2k(d+z)sinh2kdcos(ωt)|cos(ωt)|?ρCMπD24ω2H2coshk(d+z)sinhkdsin(ωt)(3)對于規(guī)則的圓柱體,可以得到積分式的解析解表達式.對于工程實際中的不規(guī)則結(jié)構(gòu)物,工程師常采用梯形法分段數(shù)值積分的方式求得樁柱的波浪力和力矩的數(shù)值.計算公式如式(4)所示:FΗ=z=η∑z=-d(fi+fi+1)2dz(4)FH=∑z=?dz=η(fi+fi+1)2dz(4)1.2波浪力的求解假定有一柱體,傾斜在水深為d的海底上,傾斜角為ζ,波向角為ξ,波高為H的入射波沿著x正方向傳播,z軸與靜水面的焦點為坐標(biāo)軸原點,模型示意圖如圖2所示.就沿x方向傳播的二維波浪的情況而論,在柱體上任一點處,水質(zhì)點的速度可分解為與主軸正交和相切的水質(zhì)點速度Un、Ut和加速度U′n、U′t.在一般情況下,對于任意方向的傾斜柱體,與主軸正交的速度Un和U′n加速度將不在同一空間平面內(nèi).因此由拖曳力和慣性力的總力,就必須寫為矢量和形式,一般形式下的Morison方程應(yīng)該寫為:f=12ρDC′D|Un|Un+ρC′ΜπD24U′n(5)將合力投影到三個坐標(biāo)軸上,則式矢量表達式(5)可以寫為:{fxfyfz}=12ρDC′D|Un|{UxUyUz}+ρC′ΜπD24{U′xU′yU′z}(6)根據(jù)線性波浪理論,可推導(dǎo)出速度和加速度的表達式如式(7)和式(8)所示:Ux=e2yux+ez(ezux-exuz)=ux-ex(exux+ezuz)(7a)Uy=-exeyux-eyezuz=-ey(exux+ezuz)(7b)Uz=e2yuz-ex(ezux-exuz)=uz-ez(exux-ezuz)(7c)|Un|=(Un·Un)1/2=[u2x+u2z-(exux+ezuz)2]1/2(7d)U′x=(1-e2x)?ux?t-exez?uz?t(8a)U′y=-exey?ux?t-eyez?uz?t(8b)U′z=-exey?ux?t+(1-e2z)?uz?t(8c)e為單位向量,所以|e|=1,e在坐標(biāo)軸上的投影{ex,ey,ez}為:ex=cosζcosξ(9a)ey=cosζsinξ(9b)ez=sinζ(9c)將上述表達式帶入式(5)中,便可以求的斜樁上某處的波浪力,然后采取分段數(shù)值積分的方法求出總的波浪力,具體積分方法與垂直樁柱相同.1.3abaqus的計算對于本文所述的問題,我們將模型按照梁單元建立整體模型,將波浪載荷以分布載荷的方式加載到單元上.由于在樁柱的高度范圍內(nèi),波浪力的變化幅值較大,方向亦隨時間而改變,普通有限元軟件中的分布載荷無法滿足計算要求.因此為了解決這個問題,我們引入ABAQUSUserSubroutine,即用戶子程序來計算波浪載荷.本文中所用到的usersubroutine為DLOAD(distributedload),用于描述分布載荷,還可用來描述海洋工程中的風(fēng),浪,流以及浮力等分布載荷.這里特別要說明的是,ABAQUS在計算時,DLOAD子程序只向源程序返回分布載荷的數(shù)值大小,而不包括分布載荷的方向.對于DLOAD而言,載荷的方向始終正對著單元的外法線方向,如圖3和圖4所示.由于梁單元存在無窮多條法線,且傾斜樁柱模型的各個梁單元所受到的載荷方向亦各不相同,難以確定DLOAD的方向,這是計算的難點之一.本文采取的解決方法是,用Matlab編制程序,算出模型各個高度的波浪力的方向余弦,根據(jù)得到的方向余弦在INP中給每個梁單元獨自規(guī)定一個法線方向.2單元和節(jié)點的建立支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析,就是將實際結(jié)構(gòu)簡化離散成為有限元模型,根據(jù)實際情況劃分單元和節(jié)點,運用編寫的FORTRAN程序,將波浪載荷等效為分布載荷作用在各個單元上,用有限元軟件計算各個節(jié)點的位移和應(yīng)力,最終算出整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和整體變形,本文分別用垂直和傾斜樁柱模型模擬工程實際中的支撐結(jié)構(gòu).2.1建議值Morison公式中的兩個水動力系數(shù),即拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM的取值關(guān)系到最后計算結(jié)果的正確性.關(guān)于這兩個系數(shù)的取值,國內(nèi)外的學(xué)者對此作了大量的實驗研究,在相關(guān)的論文和規(guī)范中給出了許多建議值供工程實際中參考.通常情況下,如果要得到比較精確的結(jié)果,必須要在實際水域中進行水動力實驗,以確定系數(shù)取值.表1引自MIT開放課程《DesignPrinciplesforOceanVehicles》第13章《SeakeepingAnalysisNaturalFrequency/NaturalPeriods》.在本文中,依據(jù)《海港水文規(guī)范》確定CD和CM值.2.2樁柱的固結(jié)實驗工況本文引用上海交通大學(xué)蘭雅梅所做的孤立樁柱波浪載荷試驗結(jié)果,與ABAQUS有限元計算結(jié)果進行對比.樁柱模型材料為有機玻璃,測試儀器為四分力天平,模型直徑為0.05m,長度為1.1m,試驗水池水深為0.6m.文獻中實驗測試了不同斜率和不同波向夾角的多種工況,本文僅引述其直立樁柱計算結(jié)果.其實驗工況如表2所示.2.3單元位置和邊界條件在ABAQUS中由各節(jié)點的坐標(biāo)生成有限元模型,整個支撐結(jié)構(gòu)由梁單元構(gòu)建,直立樁柱采用平面梁單元B21,底部節(jié)點坐標(biāo)為(0.0,-0.6),頂部節(jié)點坐標(biāo)為(0.0,0.5),節(jié)點總數(shù)為111,單元總數(shù)為110.節(jié)點(0.0,-0.6)至節(jié)點(0.0,0.5)之間每0.01米設(shè)置一個單元,底部節(jié)點邊界條件為完全固定.使用ABAQUS/STANDARD隱式求解器求解,步長為0.01s,總長為對應(yīng)工況的周期.表3給出了如表2所示的13種工況下,ABAQUS計算值,文獻實驗值和文獻計算值的比較.2.4模型單元的分配和加載由于傾斜樁柱情況沒有合適的文獻數(shù)據(jù)可用于比較,在本文中,僅以假設(shè)的參數(shù)和工況計算一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以證明計算方法的可行性.本文參照東海大橋風(fēng)電場示范項目風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu),設(shè)計傾斜樁柱模型的參數(shù)如表4所示,計算海況如表5所示.傾斜樁柱采用空間梁單元B31,底部節(jié)點坐標(biāo)為(0.0,0.0,-12.0),頂部節(jié)點坐標(biāo)為(12.124,7.0,2.0).由于每個單元都要獨立計算每個時刻的法線方向,工作量較大,故設(shè)置單元數(shù)量較少,節(jié)點總數(shù)為14,單元總數(shù)為13.同樣考慮到速度和加速度的變化梯度較大,將相應(yīng)區(qū)域的單元加密.節(jié)點(0.0,0.0,-12.0)至節(jié)點(9.526,5.5,-1.0)之間每2米設(shè)置一個單元,節(jié)點(9.526,5.5,-1.0)至節(jié)點(11.258,6.5,1.0)之間每0.4米設(shè)置一個單元.為了使DLOAD正確加載,在INP文件中設(shè)置了13個單元集(elementset),每個單元集對應(yīng)一個單元,根據(jù)編制的Matlab程序的計算結(jié)果,每一步計算都要重新定義法線方向.使用ABAQUS/STANDARD隱式求解器求解,步長為1s,總長為20s.如圖5所示,傾斜樁模型各單元的法線方向不在一個平面內(nèi),DLOAD在加載時,將為朝向不同的方向,模擬了在二維波中傾斜樁柱所受波浪力的實際情況.圖6所示為t=2s時刻傾斜模型的應(yīng)力云圖.圖7和圖8為傾斜樁柱模型的總力圖和總力矩圖,其橫坐標(biāo)為時間t,縱坐標(biāo)為作用于樁柱上的波浪力F和力矩M.圖9和圖10為傾斜樁柱模型自由端的位移圖和轉(zhuǎn)角圖,其橫坐標(biāo)為時間t,縱坐標(biāo)為樁柱自由端的位移U和轉(zhuǎn)角UR.3流場分析與單元分析有限元模型采用梁單元來計算樁柱所承受的波浪載荷,可以得到較好的結(jié)果,無論是與理論解還是實驗值都能較好的吻合.但是梁單元也存在著一些局限性,一方面受到單元類型的限制,應(yīng)用梁單元建立的模型,必須進行簡化,省略實際模型中的很多細節(jié)部分.另一方面,對于變截面的樁柱結(jié)構(gòu),梁單元在模擬上存在一定困難.目前工程上所建立的有限元模型,包括船舶和海洋平臺等,通常都是使用殼單元和實體單元來模擬真實結(jié)構(gòu)物.殼單元的優(yōu)點在于劃分網(wǎng)格較為方便,可以最大程度的保留實際結(jié)構(gòu)物的細節(jié)部分,在處理樁柱截面變化的問題上也簡單易行.例如文獻中第四章中建立的某大型風(fēng)力發(fā)電機組的支撐結(jié)構(gòu),截面為變截面錐筒形,塔架筒壁采用殼單元模擬,塔段間的法蘭盤采用實體單元模擬.使用梁單元來分析樁柱,我們可以忽略流場的變化,只考慮單位樁柱上承載的波浪力即可.如果用殼單元來構(gòu)建模型,必須考慮作用于樁柱表面上波浪載荷的變化,因此在應(yīng)用殼單元之前,本文首先要結(jié)合流體力學(xué)的知識對流場進行分析.由流體力學(xué)可知,海上結(jié)構(gòu)樁柱直立在水中,忽略流場在z方向的變化,流體均勻地向x正方向流動,我們可將這種情況歸化為流體力學(xué)中的“圓柱繞流問題”.二維圓柱低速定常繞流的流型只與Re數(shù)有關(guān).在Re較小時,流場中的慣性力與粘性力相比居次要地位,圓柱上下游的流線前后對稱;隨著Re的增大,在圓柱背面流線開始分離并出現(xiàn)漩渦;隨著Re進一步增大,圓柱后緣上下兩側(cè)有渦周期性地輪流脫落,形成規(guī)則排列的渦陣,這種渦陣稱為卡門渦街.工程實際中的海洋結(jié)構(gòu)物通常都是出于湍流狀態(tài)中,由前述可知,在樁柱表面上不存在穩(wěn)定的壓力分布.如果在分析樁柱結(jié)構(gòu)波浪力時考慮湍流情況,則超出了本文所研究的范圍.所以,不失一般地,本文假設(shè)在樁柱迎浪的半個圓周上,均勻分布壓力P,樁柱在x方向的合力Fx為樁柱所受波浪力,樁柱在y方向Fy合力為0,如圖11所示.下面結(jié)合前文所述Morsion公式