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摘要：针对东南沿海某海上风电项目，分别基ANSYS有限元软件中的SOLID187实体单元和Shell181壳体单元，建立四桩导管架基础支撑结构ANSYS有限元模态分析模型，并进行模态分析对比，结果表明在项目所在海洋地质条件下，采用实体单元和壳体单元建立支撑结构模型，所得到的模态分析一阶固有频率频率分析结果相差在1%以内，说明在整机质量、刚度分布确定的情况下，采用实体单元和采用壳体单元对整机的一阶频率影响很小，对于海上风电支撑结构整体频率分析具有一定的参考意义。
关键词：海上风电;四桩导管架基础;模态分析;实体单元;壳体单元
中图分类号：TP391.7 文献标志码：A
文章编号：1009—9492（2021）03—0079—02
0引言
结构的模态分析是海上风电场工程项目设计中的重要内容之一，其主要通过分析得出海上风机整机系统的结构固有频率，与其他激励频率相比，整机系统的一阶固有频率越靠近激振频率表，频率的共振响应越显著。结构频率的设计范围有“软-软”设计、“软-刚”设计、“刚-刚”设计，目前风电支撑结构固有频率主要是基于“软-刚”设计，也即固有频率落在“软-刚”设计允许频率范围内。海上风机支撑结构的固有频率不同于陆上风机，其边界条件较多，除了考虑诸如附连水的质量、海生物的附着等因素以外，海床地质是影响海上风机支撑结构固有频率的最重要因素之一。在很多情况下，由于基础经济性或者基础自身结构特点的原因，固有频率往往处于“软-刚”设计允许频率范围的边界上，故频率分析结果的合理性就显得尤为重要。ANSYS软件结构建模采用较多的是实体单元和壳体单元，本文基于ANSYS软件采用实体单元和壳体单元分别建模，得到整机的固有频率，该分析结果对于海上风电支撑结构整体频率分析具有一定的参考意义。
1模态分析基本原理
假设塔架、基础、钢管桩是一个连续的弹性体，并将质量离散聚集于很多节点上，这些互连的质点系统的动态分析问题属于动力学多自由振动问题。由平衡方程、物理方程和几何方程可导出结构的有限元基本方程：
2桩土相互作用
海上风电支撑结构的整体模态分析，除了风机、塔筒、基础的刚度、质量分布对固有频率影响明显以外，桩土作用对整体模态分析结果影响很大，因此，在进行整体的模态分析时，需要考虑桩土的相关作用。本文的桩土的相关作用，采用API规范推荐的桩土作用“弹簧法”确定，该方法大量应用于海洋平台的桩土作用分析中，本文有限元计算模型考虑了泥面以下钢管桩桩侧和土体相关作用，即桩侧摩阻力和位移关系的“T-Z”曲线，考虑钢管桩桩端阻力和土体位移相互作用关系，也即“Q-Z”曲线，考虑桩的侧向水平土抗力和位移关系的“P-Y”曲线。对于导管架基础，桩土相关作用的竖向刚度对模态的影响较大。本文桩土简化模型如图1所示。
3不同单元类型模态分析
3.1风机及支撑结构参数
以东南沿海某海上风电项目为例，场址水深为28.4m，风机为4MW级海上风机，风轮直径130m，机舱质量为239t，塔筒共分为3段，变直径为3.083～5.042m，壁厚范围为17～40mm，机舱重心相对塔筒顶部法兰垂直距离为1.69m。导管架底跨度26m，上部跨度14m，平台顶高程14.84m，基础顶法兰高程23.84m，导管架腿直径为1.35～2.56m，钢管桩直径为3m，机舱重心至平均海平面垂直距离98.07m。
3.2地质参数
该场址的地质条件主要为砂土和风化花岗岩为主，根据地质勘察报告揭示，泥面以下花岗岩层的风化较为剧烈，基本上呈粗的砂土状，总体而言，该场址的地质条件较好。
本文参照表1所示地质参数，结合API规范建立桩土的水平抗力和位移“P-Y”曲线、桩侧摩阻和位移的“T-Z”关系曲线，以及桩端阻和位移的“Q-Z”关系曲线，并在ANSYS软件中，对应建立钢管桩不同位置的一系列的“弹簧”，用来模拟桩土之间的相互作用，以贴近实际项目的工程情况。
3.3分析模型
本文建立了塔筒、导管架以及桩土作用的整体有限元分析模型，考虑到导管架刚度较大，爬梯、靠船以及J型管等附件对整体的刚度影响不大，因此，本阶段导管架模型暂且不考虑爬梯、靠船以及J型管等附件。塔筒和钢管桩分别采用实体单元和壳体单元建模，采用实体建模时，塔筒及导管架结构采用SOLID187单元模拟;采用壳单元建模时，塔筒及导管架结构采用Shell181单元模拟。为了简化，采用质量单元Mass21模拟风机机舱重量以及塔筒内附属件。其中，机舱质量点考虑了X、Y、Z方向的转动惯量。在灌浆段以下建立梁单元模拟桩段，以3个不同方向的COMBIN39单元模擬桩土P-Y，T-Z，Q-Z相互作用。灌浆段和钢管桩之间采用全耦合的方式。风机支撑结构的整体模型如图2所示。
4分析结果
经过分析，整机前5节阶整机频率对比如表2所示，其前5阶振型对比如图3～12所示。结果表明，采用ANSYS软件中的SOLID187实体单元与Shell181壳单元建立的整体支撑结构模型，计算分析得到的整机频率较为接近，1阶频率和2阶频率相对误差均在1%以内，3～5阶频率有所上升，最大达到3.51%，考虑到模态分析计算主要关注1阶整机固有频率，因此，1阶频率的分析结果对比更有意义，采用实体单元和壳体单元建模分析，得到的1阶的支撑结构固有频率基本上保持一致。
振型方面，从前5阶振型也可以看出，采用实体单元和壳体单元建模分析得到的风机支撑结构前5阶振型基本保持一致，第1、2阶振型主要是塔筒不同方向的摆动，导管架基础摆动不明显;第3阶振型塔筒呈现明显的扭转，导管架基础出现了明显的扭转;第4、5振型塔筒在不同方向也出现摆动，导管架基础摆动不明显。总体而言，采用实体单元和壳体单元建模分析得到的支撑结构振型基本保持一致。
5结束语
在ANSYS软件中考虑桩土的相关作用效应，并进行整体支撑结构的模态分析是可行的。
由塔筒、导管架组成的支撑结构采用ANSYS软件中的SOLID187单元以及Shell181壳单元建模分析得到的一阶固有频率差异性在1%以内，该分析结论可供其他类似的支撑结构型式及场址地质条件参考。采用ANSYS软件中的SOLID187单元以及Shell181壳单元进行整机建模，分析得到的前5阶振型基本一致，差异不明显。
关键词：海上风电;四桩导管架基础;模态分析;实体单元;壳体单元
中图分类号：TP391.7 文献标志码：A
文章编号：1009—9492（2021）03—0079—02
0引言
结构的模态分析是海上风电场工程项目设计中的重要内容之一，其主要通过分析得出海上风机整机系统的结构固有频率，与其他激励频率相比，整机系统的一阶固有频率越靠近激振频率表，频率的共振响应越显著。结构频率的设计范围有“软-软”设计、“软-刚”设计、“刚-刚”设计，目前风电支撑结构固有频率主要是基于“软-刚”设计，也即固有频率落在“软-刚”设计允许频率范围内。海上风机支撑结构的固有频率不同于陆上风机，其边界条件较多，除了考虑诸如附连水的质量、海生物的附着等因素以外，海床地质是影响海上风机支撑结构固有频率的最重要因素之一。在很多情况下，由于基础经济性或者基础自身结构特点的原因，固有频率往往处于“软-刚”设计允许频率范围的边界上，故频率分析结果的合理性就显得尤为重要。ANSYS软件结构建模采用较多的是实体单元和壳体单元，本文基于ANSYS软件采用实体单元和壳体单元分别建模，得到整机的固有频率，该分析结果对于海上风电支撑结构整体频率分析具有一定的参考意义。
1模态分析基本原理
假设塔架、基础、钢管桩是一个连续的弹性体，并将质量离散聚集于很多节点上，这些互连的质点系统的动态分析问题属于动力学多自由振动问题。由平衡方程、物理方程和几何方程可导出结构的有限元基本方程：
2桩土相互作用
海上风电支撑结构的整体模态分析，除了风机、塔筒、基础的刚度、质量分布对固有频率影响明显以外，桩土作用对整体模态分析结果影响很大，因此，在进行整体的模态分析时，需要考虑桩土的相关作用。本文的桩土的相关作用，采用API规范推荐的桩土作用“弹簧法”确定，该方法大量应用于海洋平台的桩土作用分析中，本文有限元计算模型考虑了泥面以下钢管桩桩侧和土体相关作用，即桩侧摩阻力和位移关系的“T-Z”曲线，考虑钢管桩桩端阻力和土体位移相互作用关系，也即“Q-Z”曲线，考虑桩的侧向水平土抗力和位移关系的“P-Y”曲线。对于导管架基础，桩土相关作用的竖向刚度对模态的影响较大。本文桩土简化模型如图1所示。
3不同单元类型模态分析
3.1风机及支撑结构参数
以东南沿海某海上风电项目为例，场址水深为28.4m，风机为4MW级海上风机，风轮直径130m，机舱质量为239t，塔筒共分为3段，变直径为3.083～5.042m，壁厚范围为17～40mm，机舱重心相对塔筒顶部法兰垂直距离为1.69m。导管架底跨度26m，上部跨度14m，平台顶高程14.84m，基础顶法兰高程23.84m，导管架腿直径为1.35～2.56m，钢管桩直径为3m，机舱重心至平均海平面垂直距离98.07m。
3.2地质参数
该场址的地质条件主要为砂土和风化花岗岩为主，根据地质勘察报告揭示，泥面以下花岗岩层的风化较为剧烈，基本上呈粗的砂土状，总体而言，该场址的地质条件较好。
本文参照表1所示地质参数，结合API规范建立桩土的水平抗力和位移“P-Y”曲线、桩侧摩阻和位移的“T-Z”关系曲线，以及桩端阻和位移的“Q-Z”关系曲线，并在ANSYS软件中，对应建立钢管桩不同位置的一系列的“弹簧”，用来模拟桩土之间的相互作用，以贴近实际项目的工程情况。
3.3分析模型
本文建立了塔筒、导管架以及桩土作用的整体有限元分析模型，考虑到导管架刚度较大，爬梯、靠船以及J型管等附件对整体的刚度影响不大，因此，本阶段导管架模型暂且不考虑爬梯、靠船以及J型管等附件。塔筒和钢管桩分别采用实体单元和壳体单元建模，采用实体建模时，塔筒及导管架结构采用SOLID187单元模拟;采用壳单元建模时，塔筒及导管架结构采用Shell181单元模拟。为了简化，采用质量单元Mass21模拟风机机舱重量以及塔筒内附属件。其中，机舱质量点考虑了X、Y、Z方向的转动惯量。在灌浆段以下建立梁单元模拟桩段，以3个不同方向的COMBIN39单元模擬桩土P-Y，T-Z，Q-Z相互作用。灌浆段和钢管桩之间采用全耦合的方式。风机支撑结构的整体模型如图2所示。
4分析结果
经过分析，整机前5节阶整机频率对比如表2所示，其前5阶振型对比如图3～12所示。结果表明，采用ANSYS软件中的SOLID187实体单元与Shell181壳单元建立的整体支撑结构模型，计算分析得到的整机频率较为接近，1阶频率和2阶频率相对误差均在1%以内，3～5阶频率有所上升，最大达到3.51%，考虑到模态分析计算主要关注1阶整机固有频率，因此，1阶频率的分析结果对比更有意义，采用实体单元和壳体单元建模分析，得到的1阶的支撑结构固有频率基本上保持一致。
振型方面，从前5阶振型也可以看出，采用实体单元和壳体单元建模分析得到的风机支撑结构前5阶振型基本保持一致，第1、2阶振型主要是塔筒不同方向的摆动，导管架基础摆动不明显;第3阶振型塔筒呈现明显的扭转，导管架基础出现了明显的扭转;第4、5振型塔筒在不同方向也出现摆动，导管架基础摆动不明显。总体而言，采用实体单元和壳体单元建模分析得到的支撑结构振型基本保持一致。
5结束语
在ANSYS软件中考虑桩土的相关作用效应，并进行整体支撑结构的模态分析是可行的。
由塔筒、导管架组成的支撑结构采用ANSYS软件中的SOLID187单元以及Shell181壳单元建模分析得到的一阶固有频率差异性在1%以内，该分析结论可供其他类似的支撑结构型式及场址地质条件参考。采用ANSYS软件中的SOLID187单元以及Shell181壳单元进行整机建模，分析得到的前5阶振型基本一致，差异不明显。