海上风力机单桩基础结构动力作用下的时程分析

海上风力机单桩基础结构在动力作用下的时程分析1海上风力机单桩基础结构在动力作用下的时程分析摘要：风能作为一种清洁永续的可再生能源，已经成为人类使用的重要能源之一。我国海上风能丰富，发展海上风力发电是我国可持续发展战略之一，因此研究海上风力发电具有重大意义。本文利用有限元分析软件ABAQUS对海上风力机单桩基础结构进行有限元模型的建立，并分析了其在动力荷载作用下的受力性能及结构响应。利用时程法分析海上风力机单桩基础结构在动力耦合作用下的结构动力响应，得出相应的位移时程和应力时程。结果表明，动力荷载作用下，其最大应力值小于材料屈服强度，结构具有充分的安全储备。关键词：海上风力机；单桩基础；时程分析；ABAQUS中广电广播电影电视设计研究院技术论文2AbstractWindenergyisarenewableresourceofcleanandsustainable,ithasbecomeoneoftheimportantenergyresourceforhuman.TheoffshorewindenergyinChinaisrich,andthedevelopmentofwindpowerisoneofthesustainabledevelopmentstrategyinChina.So,thereisgreatsignificanceinthestudyofoffshorewindpower.Inthispaper，theinstitutionofthefiniteelementmodelofoffshorewindturbinesingle-pilefoundation,andtheanalysisofmechanicalpropertiesandstructuralresponseindynamicload,itusedtheABAQUSfiniteelementanalysissoftware.Thedynamicrespondofoffshorewindturbinesingle-pilefoundationunderthecoupleddynamicloadwasstudiedbythetime-historyanalysismethod,sowecanreachthecorrespondingdisplacementscheduleandstressschedule.Theresultsshowthat,inthedynamicload,thelargeststressofthestructureislessthanthematerialyieldstress.Inthiscase,thestructureisintheelasticstate,anditisfullofthesafereserve.Keywords:offshorewindturbine;single-pilefoundation;time-historyanalysismethod；ABAQUS海上风力机单桩基础结构在动力作用下的时程分析31引言海上风力机单桩基础结构处于复杂的海洋环境中，受到众多海洋环境荷载的作用，诸如波浪荷载、冰荷载、风荷载以及地震作用等都是海上结构物典型的设计荷载。这些随时间变化的动力载荷对海上风力机单桩基础结构的作用，只有当动力荷载随时间变化缓慢而引起的惯性力可以忽略不计时，才可按静力问题分析。例如，当水的深度较小时，结构高度较小，其刚性较大，自振频率较高(远大于波浪荷载的频率)的海上结构物，在波浪荷载作用下的结构响应，一般可以按静力问题分析，因为这种情况下的动、静力分析结果相差不大。当结构物位于深水时，其高度较大，柔性也较大，其自振频率可能同载荷频率相接近时，即使动荷载不大，也有可能产生相当大的动位移和动应力致使结构破坏或产生不容许的变形，从而影响了结构的正常工作。在此情况下，必须基于静力分析而设计的海上风力机单桩基础结构作进一步的动力分析，进而校核结构的强度和变形。本文以海上风力机单桩基础结构为研究对象，针对海洋环境的特殊性和复杂性，研究了在各种动力耦合作用下海上风力机单桩基础结构的动力响应。结合海洋环境荷载强度(波浪荷载、冰荷载、风荷载以及地震作用等)、海域土体条件、结构振动周期等特点，对海上风力机单桩结构的动力响应进行了大量的参数分析。2时程分析法的基本原理时程分析法是一种直接基于结构动力方程的数值方法，与反应谱法相比，时程法具有更广泛的适用性，也适用于求解结构非线性问题。目前，大多数国家对重要的、复杂的结构的动力响应分析都建议采用时程分析法。现行规范也建议对某些特殊结构用时程法用作反应谱法的补充分析。结构动力学问题有限元法，实际上是将一个连续体的振动问题离散为一个以有限个节点位移为广义坐标的多自由度系统的振动问题。其基本原理类似于静力学的有限元法，但区别在于应用振动理论建立动力学方程时，在单元分析中需要形成刚度矩阵的同时，还需要形成质量矩阵[13}。动力时程分析从选定适当的振动波谱出发，采用结构的有限元动力计算模型建立地动力学方程，然后采用数值方法对方程进行求解，计算结构在动力作用过程中的每一时刻的位移、速度和加速度响应，从而可以分析出结构在动力作用下的从弹性、弹塑性到塑性整个阶段的内力变化及构件逐步损坏的过程。中广电广播电影电视设计研究院技术论文4在加速度为）（tug的运动作用下，结构的动力平衡微分方程为：）（）（uRtuMKuuCuMg（1）式中：M——质量矩阵；C——阻尼矩阵；K——在当前时刻的切线刚度矩阵；u、u、u——结构的位移、速度、加速反应向量；）（tug——地震地面运动加速度，Ru——非线性节点力向量；求解动力方程的数值方法目前主要采用直接积分法。对于地震这样不规则动力作用下的结构动力反应分析，可将时间划分为许多微小的时间段t，由动力方程的数值积分获得其数值解。如图1所示，当已知结构在nt时刻（和nt时刻前）的反应值nu，nu，nu，可采用数值方法用动力方程确定时间段t后1nnttt时刻的反应值1nu，1nu，1nu，如此逐步进行下去，即可获得结构动力反应的全过程。因为结构的恢复力特性随结构反应的大小而在不断地变化，因此在每步的分析中必须根据结构的反应状态确定当前的结构恢复力特性，再进行下一步计算。直接积分法针对离散时间点上的值进行计算，十分符合计算机存储的特点，体系的运动微分方程也不一定要求在全部时间点上满足，而仅需要满足在离散时间点上的要求。根据在nt时刻（和nt时刻前）的反应值确定1nt时刻反应值方法的不同，直接积分计算方法可分为：分段解析法、中心差分法、平均加速度法、线性加速度法、Newmark-法、Wilson-法等[37]。图1数值积分基本原理直接积分法针对离散时间点上的值进行计算，十分符合计算机存储的特点，体系的运动微分方程也不一定要求在全部时间点上满足，而仅要求在离散的时间点上满足即可。根据在nt时刻（和nt时刻前）的反应值确定1nt时刻反应值方法的不同，直接积分计海上风力机单桩基础结构在动力作用下的时程分析5算方法可分为：分段解析法、中心差分法、平均加速度法、线性加速度法、Newmark-法、Wilson-法等[9]。结构工程中最感兴趣的是体系的变形，或者是质量相对于运动地面的位移u，体系的内力是与u相关的。确定质量的绝对位移对于相邻建筑物之间留出足够的间距以防止在地震中互相碰撞是非常有用的，几乎在每次地震中都有一些建筑物是由于相互碰撞而产生的破坏。同样，如果结构支撑着敏感设备并且要确定传递给设备的运动，那么确定质量的加速度u也是非常必要的。Newmark-法将时间离散化，运动方程仅要求在离散的时间点上满足。假设在nt时刻的运动nu，nu，nu均已经求得，然后计算1nt时刻的运动。它通过对nt至+1nt时刻段内加速度变化规律的假设，以nt时刻的运动量为初始值，通过积分方法得到计算+1nt时刻的运动公式。Newmark-法的求解过程如下：1.基本数据准备和初始条件计算：（1）选择时间步长t、参数和，并计算积分常数；021at；1at；21at；3112a；41a；522ta；61at；7at。（2）确定运动的初始值0u，0u和0u。2．形成刚度矩阵K，质量矩阵M和阻尼矩阵[]C；3．形成等效刚度矩阵01ˆKKaMaC（2）4．计算+1nt时刻的等效荷载02311ˆnnnnnPPMauauau145nnnCauauau（3）5．求解+1nt时刻的位移11ˆˆinKuP（4）中广电广播电影电视设计研究院技术论文66．计算+1nt时刻的加速度和速度10231niiiiuauuauau（5）1671niiiuuauau（6）循环第4至6计算步骤，可以得到线弹性体系在任一时刻的动力反应，对于非线性问题，则应循环第2至6步完成计算。本文采用ABAQUS有限元软件提供的完全法（FULL）瞬态分析，直接积分计算方法为Newmark-法，进行海上风力机单桩基础结构在波浪荷载、风荷载、冰荷载以及地震作用下的动力时程分析。3模态分析结构的动力特性是结构自身固有的性质，反应了结构的材料性能、刚度及质量分布等。从数学概念来看，结构模态是振动系统特性的一种表征，它是由结构的特征值和特征向量所确定的。从物理方面来看，模态表示无阻尼自由振动时各阶自振频率及其相应的固有振型。一般来说，表征结构特性的模态参数包括自振频率、振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼比等，但其中最重要的是自振频率和固有振型，它们将表明在哪几种频率下结构会产生共振，以及结构在各阶频率下的相应变形。通过模态分析获得结构的模态参数，不仅可以用来验证结构的设计与计算，还可以用来分析振动现象，积累相关技术资料，为结构的安全性评估及损伤识别建立基本技术档案。本章进行的所谓模态分析，就是用于确定设计结构的固有频率和振型（即结构的振动特性），这两者是承受动态荷载结构设计中的重要参数。另外，它们也是作为其他动力学分析问题的起点依据，是进行谱分析、模态叠加法谐响应分析、瞬态动力学分析都必需的前期分析过程。模态分析，实质上就是计算结构振动特征方程的特征值和特征向量。3.1模态分析的基本理论在进行风机基础的动态分析时，由于固有频率的大小直接关系到结构在各种不同的激励条件下是否会发生动力放大效应与共振，因此首先需要计算风机基础结构的固有频率和振型。考虑到结构阻尼对自振频率影响甚小，为简化计算，在求解时忽略了阻尼的影响。经边界约束处理后的结构的无阻尼自由振动方程为[4]：海上风力机单桩基础结构在动力作用下的时程分析7[]{}[]{}{0}MuKu（7）式中：M——结构质量矩阵，一般采用集中质量法；K——结构处于静力平衡状态时的切线刚度矩阵；{}u、{}u——结构的位移及加速度向量。假设结构作简谐振动，则有：{}={}sin()ut（8）2{}=-{}sin()ut（9）式中：{}——结构振动的形状，与时间无关；——初相位；——自振圆频率。将式（5-8）和（5-9）代入式（5-7）得：2{}sin()[]{}sin(){0}KtMt（10）由于正弦项为任意，故可消去，因而上式可进一步写成：2([]){}{0}KM（11）要得到有限振幅的自由振动，必须令上述方程中系数的行列式为零，即：2[]{0}KM（12）式(4-6)即为结构的自振频率方程，求解后可得n个自振频率为：123n将第i个自振频率i代人式（5-11），即可得到第i振型方程为：2{}[]