风力发电机基础与地基相互作用的接触非线性有限元分析

风力发电机基础与地基相互作用的接触非线性有限元分析

李欣

李欣

嘉兴南洋职业技术学院浙江嘉兴314031

摘要：作为经济发展的命脉—能源，在地球上供人类开发和使用，是有限且不可再生的。随着全球工业化进程的开展与加速，世界各国对能源的需求也急剧上升。在人类不断开采和消耗的情况下，煤炭、石油和天然气这三大常见的化石能源日渐枯竭，能源问题作为关系到世界经济发展和人类生存环境的重大问题，正日益受到世界各国越来越多的关注。就我国而言，一方面，能源分布不均衡的情况较为突出，例如“北煤南运，西气东输”工程；另一方面，我国人口数量众多，能源消耗量也较大。着眼于未来，这就要求我们必须制定并坚持可持续性发展的战略方针。而开发并利用新的可再生的清洁能源，就是该其中战略之一。在能源领域，风能是近期内最具大规模开发利用价值的可再生能源，对环境保护和社会可持续发展也有着重要意义。国家鼓励积极发展太阳能、生物质能、地热能等其他新能源，有效发展风电，促进能源系统的推广应用。同时，在此基础上，国家颁布政策大力支持并重点发展5MW以上的风力发电机组整机及其重要部件的设计、陆上和海上风电场的设计和运营、核心装备部件的制造与并网等关键技术。由此，风电的发展催生了一大批相关的企业，至2011年，制造风力发电机组及其零部件的企业已达到600余家。进入21世纪后，风力发电每年以20%的增容速度发展着，到2006年，中国风力发电总装机容量达到2604MW，居世界第六位；2008年，世界的风电总装机容量达到1.2亿KW，平均年增长率为28.8%；到了2010年，中国的风电新增装机容量为16000MW，2011年达到52800MW。此时中国一跃，成为了世界第一风电大国。风电的发展，不仅可以解决中国能源短缺的困局，保护生态环境，减少自然灾害，同时也可以拉动相关产业链的发展，从而为数以万计的人提供就业岗位。

关键词：风力发电机；地基；作用

前言：

从国际形势来看，近十年来，全球的风力发电产业装机容量以25%的速度增长着。由此可以看出风力发电产业的发展速度非常快，这就吸引了更多的企业投入到风电装备制造这一领域。欧美一些国家由于较早的对风力发电机基础设计进行了研究，因而这方面的理论体系就比较规范。1995年德国出版了第一个涵盖了从认证范围到结构荷载、运用材料、风电机叶片、整体结构、整组机械、电气、安全运行和环境监控系统整个内容的，用于认证风力发电机的标准。与发达国家相比，虽然我国风电技术的研究起步较晚，但起点较高且发展较快，对于风力发电机基础的研究也有了一定的成果。马龙海等利用阻尼影响抽取法研究了风电机组基础动刚度的动力特性，并给出了相关的计算式，对风力发电机组基础的设计分析有很重要的实践意义。田静等通过构建风电机基础结构的三维有限元模型，并利用基础混凝土与塔架基础钢环、地基之间的非线性接触理论，分析了正常与极限两种工况下风电机基础的受力特征、规律及接触状态，得出的结果表明符合风电机基础受力结构响应，证明该方法是合理的。张迪等研究了风电机塔架基础在软基下的特殊形式的受力影响，明确了塔架基础结构的受力特性和规律李武，采用数值软件对海上独桩基础、导管架基础及高桩墩台基础进行模态和时程分析，得到3种基础的振型图、固有频率、周期及其位移响应曲线，经过对比分析，从风电基础对变形要求的角度考虑，得知了高桩墩台是最理想的近海风力发电机基础[21]。贺广零等基于分析力学建模、多体动力学建模和有限元法建模，对三种方法进行了系统比较，为风力发电机组结构建模提供参考。邢占清等根据观测风电场风力发电机基础沉降的实践结果，总结了类似条件下保证观测精度并提高观测效率的几点方法，同时探讨了基础沉降及不均匀沉降的主要原因。2007年9月，我国颁布的FD003—2007《风电机级地基基础设计规定》这一规范，不仅争取了我国对于风机基础设计的自主权，更确保了风电机在设计工况下的安全运行，同时也对风电机的基础设计起到了规范和统一的重要作用。

风力发电机是一种将风能转换为机械能的动力机械。风力发电机主要包括风轮和发电机，其中，风轮由叶片、轮毂和加固件等组成。风力发电的主要工作原理是：利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升来促使发电机发电。在整个结构中，风力发电机的基础承担着整个风力发电机的重量。同时，由于风的推力形成的弯矩和风轮旋转时所产生的反转矩，都通过塔架作用在基础上。若基础出现问题，则会使塔架，乃至整个风力发电机组损坏，从而造成巨大的损失。

对于风力发电机基础，一般均采用现浇钢筋混凝土基础。而在我国，根据现阶段大多数风电场场址的工程地质条件及基础承载力等情况，大多数风电场的风力发电机基础是采用方形或圆形的钢筋混凝土独立基础。为了方便研究并具有可对比性，在这里采用矩形混凝土基础作为研究模型。本文将以ANSYS有限元分析软件为平台，并采用有限单元法作为理论基础，对不同类型的地基与风力发电机基础进行相关分析，分析风力发电机基础的一些力学特性。本文的主要研究内容如下：

风力发电机组的基础是风力发电机组支撑结构中的一部分，主要承担着整个风力发电机的重量。除此之外，由于风的推力形成的弯矩和风轮旋转时所产生的反转矩都通过塔架作用在基础上。因此，对风力发电机基础进行研究显得尤为重要。鉴此，本章采用三维有限元方法]来分析风力发电机钢筋混凝土基础的基本力学特性，通过设置在各种方向载荷作用下地基与风力发电机钢筋混凝土基础间的接触，来分析接触问题对风力发电机基础与地基的影响，以便为我国的风力发电机基础设计提供参考依据。

ANSYS有限元分析软件是一款融合了结构动静分析、流体分析、电磁场分析、声场和耦合场分析等于一体的大型通用有限元分析软件，可用来求解静态和瞬态非线性问题等。本文将采用此软件来进行一系列的分析计算。

风力发电机基础与地基相互作用的接触非线性有限元分析：将有限元非线性接触分析理论引入到对风力发电机基础与土壤相互作用的接触分析中，以ANSYS有限元分析软件作为分析平台，建立风力机基础与地基的三维有限元模型，通过分析得到，在固定载荷下，基础与不同类型的土壤接触最大的变形及应力分布，较为全面地分析结构的受力情况和基础的基本力学特性。

结束语：

通过对上述情况下，对风力发电机基础力学性能进行有限元分析，我们可以获得风力发电机基础在各种荷载作用下的变形等受力特点，并将各种情况下的结果进行比较分析，由此得出了，考虑接触非线性问题对于研究风机基础乃至整个整体还是十分有必要的。风力发电机组的地基与基础的设计是非常关键的。没有一个好的基础，基础部位以上的结构就无法保证其稳定性。目前，国内外的学者们针对风力发电机基础的设计，作了多方面的研究，尤其是在风力发电机重力式基础设计、桩基础的优化设计、数值仿真、动力分析等方面，但在陆地浅基础与地基的接触、动力特性分析等方面还没有较多成果。本文在已经取得研究成果的基础上，通过采用理论分析和数值模拟相结合的方法来进行分析研究，在ANSYS建模时，充分考虑了基础与地基的接触部分。在以往的成果当中，关于两者的接触问题的研究是少之又少。而无论是结构内部与内部之间，还是内部与外部之间，都存在着接触，它是一种普遍的非线性问题。本文通过对风机基础进行非线性接触有限元分析，模拟了相互接触的基础与地基两者的位移及接触面上的应力分布等，从而为以后的风机基础设计和结构优化等，提供可行性的建议。

参考文献：

[1]蒋宏春.风力发电技术综述[J].机械设计与制造，2010（9）：250-251.

[2]刘晓林.风力发电机主要种类及应用技术浅析[J].电器制造，2009（9）：18-20.