海上风电伞式吸力锚基础结构优化设计及承载优势分析

刘红军， 王荃迪， 唐慧玲

(中国海洋大学 1.山东省海洋环境地质工程重点实验室；2.海洋环境与生态教育部重点实验室；3.环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)



海上风电伞式吸力锚基础结构优化设计及承载优势分析

刘红军1,2，3， 王荃迪3， 唐慧玲3

(中国海洋大学 1.山东省海洋环境地质工程重点实验室；2.海洋环境与生态教育部重点实验室；3.环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

海上风电基础是制约海上风电发展的一个重要因素，大力发展经济与效用兼备的新型基础刻不容缓。本文基于新型的海上风电伞式吸力锚基础(USAF)的已有结构，借助大型通用有限元软件ABAQUS构建出一系列不同尺寸的伞式吸力锚基础(USAF)有限元模型，并通过模态分析等动力分析得到最佳伞式吸力锚基础(USAF)结构尺寸，最后，将最佳伞式吸力锚基础(USAF)与常规单筒吸力锚基础在单一荷载下的极限承载力进行比较，证明了伞式吸力锚基础(USAF)具有良好的承载优势。

伞式吸力锚基础(USAF)；结构优化设计；动力分析；承载优势分析；ABAQUS

引用格式：刘红军， 王荃迪， 唐慧玲. 海上风电伞式吸力锚基础(USAF)结构优化设计及承载优势分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(9)： 96-101.

LIUHong-Jun，WANGQuan-Di，TANGHui-Ling.Optimumstructuraldesignandloadingadvantageanalysisofumbrellasuctionanchorfoundationforoffshorewindturbine[J].PeriodicalofOceanUniversityofChina, 2016, 46(9)： 96-101.

中国近海风能资源十分丰富[1]，具有很好的发展前景。海上风电基础的成本一般可以占到工程成本的20%～30%，它对于海上风电场的重要性不言而喻[2]。吸力锚基础由于其可重复利用性及易于施工的特点越来越受到关注[3-4]。海上风电伞式吸力锚基础(USAF,UmbrellaSuctionAnchorFoundation)是一种新型的海上风电基础类型，裙筒和锚枝的特殊设计使得它的承载性能和防波浪冲刷能力显著提高。刘红军等[5]对USAF基础的结构优势和安装方法进行了说明，李洪江等[6]利用上限解法对USAF基础在水平力下的承载力进行了研究，但USAF基础的结构优化设计还需完善。武科等[7]基于ABAQUS比较得出：筒形基础筒体的长径比对对筒形基础筒体的承载力影响显著。李大勇等[8]通过模型试验得出，裙式吸力锚筒裙的尺寸对水平承载性能会产生较大的影响。所以结构优化设计显得尤为重要。

吴芳和[9]在ANSYS中建立了海上风机基础的三维有限元模型，并利用ANSYS中的优化设计模块,依据用料最少的原则对海上风机基础进行整体优化设计。田树刚等[10]利用有限元的方法，对近海风电单桩及四桩基础对结构体系动力特性及地震反应进行了分析，并验证数值模型的工程精度。本文将以USAF基础为研究对象，通过模态分析等动力分析对USAF基础进行结构优化，并通过比较最佳USAF模型与常规吸力基础的承载性能，说明USAF基础的承载优势。

1　有限元模型

1.1 模型尺寸设计

为获得最优尺寸，首先要进行合理的尺寸设计。李洪江等[6]建议D筒裙/D主筒取值为1.5～2.0，L锚枝/D主筒取值为0.5～1.5。USAF基础各参数如图1所示。

图1　USAF示意图

由于主筒设计高度主要与实际工程中对USAF基础承载力的设计要求有关，故在尺寸设计时只考虑D筒裙/D主筒及L锚枝/D主筒2个参数,所有模型主筒高度均取作8m，筒裙高度均取作3.5m。为了方便进行设计，固定D主筒为4m，在设计D筒裙/D主筒时，固定L锚枝为1m；在设计L锚枝/D主筒时，固定D筒裙为8m，具体取值如表1所示。

表1　D筒裙/D主筒及L锚枝/D主筒取值

Note: ①No.ofmodel

1.2 构建模型

采用薄壳结构建立USAF基础有限元模型，主筒顶板厚0.05m，其余部分厚度均为0.02m。整个模型采用同一种钢材，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比，密度为DENS=7 800kg/m3。USAF模型采用三角形对称划分网格，单元类型为S3(三结点三角形通用壳)。

以模型1-4为例展示有限元模型及网格划分图(见图2)。

图2　USAF有限元建模与网格划分

2　动力分析结果分析

优化设计时采用的ABAQUS中的结构动力学分析有：模态分析和谐响应分析。

2.1 模态分析结果

图3为模型1-4的前十阶模态振型。各模型响应规律基本一致，可以看出，USAF基础的各部分结构振动模式不同，总的来说，锚枝和筒裙侧壁振动比较剧烈，主筒相对比较稳定，因此在USAF结构设计中应尤其注意锚枝和筒裙部分。

图3　模型1-4前十阶模态振型

目前通用的三叶片式风力发电机组的主要共振激励源是1P和3P频率。工程上一般要求风机基础结构固有频率避开这2个频率范围在±10%左右。

以金风1.5MW风机为参考，其1P频率变化范围为0.15～0.288Hz[11]，为了避免发生共振，USAF基础结构自振频率就不应处在0.135～0.317Hz，0.405～0.950Hz的范围内。设计USAF基础时主要针对黄河口地区，故以黄河三角洲埕岛海域的波浪状况进行考虑：此海域波浪频率范围在0.12～0.50Hz左右[12-13]。综上可知，USAF基础自振频率应该避免的频率区间为0.135～0.950Hz。

由表2可知，模型1-5的前五阶自振频率均处于此区间，可能出现风机与基础结构共振的现象，因此淘汰模型1-5。

表2　前五阶振型计算结果(单位:Hz)

Note: ①Numberofmodel; ②Firstorder; ③Secondorder; ④Thirdorder; ⑤Fourthorder; ⑥Fifthorder

2.2 谐响应分析结果

谐响应分析用于获得模型在选定的0～100Hz范围内的位移频率响应曲线，然后根据位移响应大小及对应的激励频率大小对模型进行比选。对USAF有限元模型采用完全法(Full)进行求解。对主筒顶部节点完成加载设置，加载方向沿水平X轴方向，水平力大小为700kN；只计算实响应，因为起始频率不能为零所以设置频率范围为1E-7～100Hz，点数为250，即求解频率从1E-7～100Hz每隔0.4Hz求解一次。

由于模型上节点众多，故选取具有代表性的节点来说明分析结果。对于D筒裙/D主筒系列而言，改变的是筒裙的直径，因此评价模型优劣的指标是筒裙、主筒部分的位移响应大小，最大位移出现在X方向；对于L锚枝/D主筒系列则是锚枝的位移响应，最大位移出现在Z方向。

从图4a可知，模型1-1在激励频率为0.803 2Hz时位移响应值最大，达2m以上，且基础各部分均发生较大的位移，因此淘汰模型1-1。

从图4b、c可以看出，L锚枝/D主筒系列位移较D筒裙/D主筒系列普遍偏小，最大在10cm左右，峰值对应的激励频率均在20Hz左右。对于D筒裙/D主筒系列而言，模型1-4位移响应最小，不超过6cm，因此为D筒裙/D主筒=2为最优。

图4　X方向位移频率响应曲线(主筒顶)

D筒裙/D主筒系列模型锚枝长度均为1m。

从图5a中可以看出锚枝竖向位移均达到m级，可知L锚枝/D主筒取0.25并不合适。

从图5b中可以看出，虽然模型2-2锚枝竖向位移并不是最小的，但相比于模型2-3、2-4最大位移出现在低频区域(0～20Hz范围内)，实际工程中遇到的可能性较大，故最大位移对应的激励频率为50Hz的模型2-2更为优越，即L锚枝/D主筒=0.375为最优。

由谐响应分析结果可知，锚枝是整个USAF基础最容易发生破坏的部分，但是由于USAF基础提供承载力的部分主要是主筒和筒裙，所以即使锚枝发生破坏也不会影响到USAF基础提供承载力的主要功能。

综上，D筒裙/D主筒=2、L锚枝/D主筒=0.375为最佳USAF模型尺寸，若主筒直径为4m，则裙筒直径为8m，锚枝长度为1.5m。

图5　Z方向位移频率响应曲线(锚枝)

3　承载性能

将最佳USAF基础与单筒吸力锚基础在单一荷载下进行承载力比较。

本文中采用位移控制法[14]对海上风电基础进行承载特性分析，当位移达到极限则认为超过极限承载力，土体失效。据前人研究[15],基础水平位移极限取基础宽度的3%～6%，则USAF水平位移极限值取5%D，即20cm，弯曲位移限取0.01rad。

最优USAF基础参数同动力分析部分，为方便计算，基础顶盖厚度均取作0.05m。采用相同用钢量的单筒吸力锚基础，取高为6m，筒径为9m，基础顶盖厚0.05m，基础侧壁厚0.02m。根据室内土工试验得到土体的相应参数如表3所示。

表3　土体参数

Note: ①Young′smodulus; ②Polsson′sradio; ③CohesionYieldstress; ④Frictionangle; ⑤Massdensity

吸力锚与土体之间采用法向硬接触，切向接触表现为“罚”，摩擦系数为0.33。为合理的消除边界效应，土层宽度取10倍筒裙直径，高度取3倍主筒高。土体四周为水平约束边界，底部为完全固定，上部为自由面。网格划分类型为三维8节点缩减积分(C3D8R)单元。

由图6可以得出USAF基础各向承载力相比常规吸力锚基础均有较大的提高，其中，USAF水平极限承载力为3.31MN，弯矩为8.65MN·m；对应相同位移时的单筒吸力锚基础水平承载力为2.25MN，弯矩为6.57MN·m。也就是说，USAF基础水平承载力与单筒的相比提高了47%，弯矩提高了20%，承载优势明显。

根据Taiebat[16]提出的水平极限承载力公式：

Hult=4LNhASu/πD。

式中Nh为水平承载力系数。

计算得到单筒基础水平承载力为2.59MN，而当单筒达到极限位移0.45m时，由图6a可知对应的承载力约为2.80相对误差为8.1%。通过验算，证明了计算模型的可靠性。

图6　USAF模型与单筒基础承载位移荷载曲线

4　结论

(1)通过模态分析获得了USAF模型的前五阶固有频率和模态振型，锚枝和筒裙侧壁振动比较剧烈，主筒相对比较稳定。

(2)完成了0～100Hz外荷载激励作用下USAF结构的谐响应分析，得到了USAF系列模型各部分的位移-频率响应曲线，指出锚枝作为位移响应最显著的部分，设计时应引起足够的重视；根据位移响应大小及对应的激励频率范围选出USAF模型的最佳尺寸：D筒裙/D主筒=2、L锚枝/D主筒=0.375。

(3)在单一荷载下求解出最佳USAF基础与单筒吸力锚基础极限承载力，比较得出：USAF基础水平承载力与单筒的相比提高了47%，弯矩提高了20%，承载优势明显。

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责任编辑庞旻

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

国家自然科学基金项目(4152247)；山东省科技攻关项目(2014GGX104007)资助

2015-12-04；

2016-03-09

刘红军(1966-)，男，教授，博士生导师，主要从事海洋工程地质、岩土工程方面的教学与科研。E-mail:hongjun@ouc.edu.cn

TU435

A

1672-5174(2016)09-096-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20150408

SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(4152247);theScienceandTechniqueFoundationofShandongProvince(2014GGX104007)