風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)接觸問題研究

1、風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)接觸非線性問題研究田靜 田靜（1978-），遼寧錦州人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)和水工結(jié)構(gòu)相關(guān)的教學(xué)與科研工作 許新勇2 劉憲亮1（1黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 4750032華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，河南 鄭州 450011）摘要：以輝騰錫勒風(fēng)電場工程為例，建立了風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)的三維有限元模型，研究風(fēng)力發(fā)電機組鋼筋混凝土基礎(chǔ)的基本力學(xué)特性。通過設(shè)置基礎(chǔ)環(huán)與混凝土及鋼筋混凝土基礎(chǔ)與地基間的接觸，模擬基礎(chǔ)環(huán)與混凝土及鋼筋混凝土基礎(chǔ)與地基間可能的脫開、滑動等情況，分析了接觸問題對風(fēng)機基礎(chǔ)有限元計算的影響。結(jié)果顯示：在有限元分析建模時，考慮接觸非線性，能更真實的模擬風(fēng)力發(fā)電機

2、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特性，使有限元計算結(jié)果更趨于合理,考慮接觸非線性是非常必要的。研究結(jié)果為我國風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計和優(yōu)化提供有益的參考。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)；接觸；有限元；非線性Study on Contact Nonlinearity of Wind Turbine Generator FoundationTIAN Jing1 XU Xinyong2 LIU Xianliang1(1. Yellow river conservancy technical institute, henan, kaifeng, 475001;2. water conservancy institute of North C

3、hina University of Water Resources and Electric Power,henan, zhengzhou,450011)Abstract: Taking wind power project in Huitengxile as an example, finite element model of three-dimension for wind turbine generator foundation is established, mechanics performance of wind turbine generator foundation is

4、analyzed. Through setting up contact between foundation stub of tubular tower and concrete, between grounds and concrete cushion, separation and movement phenomenon is simulated, the effect of contact on finite element calculation results is analyzed. Results show: if contact nonlinearity is conside

5、red, mechanics performance of wind turbine generator foundation is simulated well, Calculation result of the finite element method tends towards rationally even more. in the finite element analysis, considering the contact is very essential. research results offers useful reference for the thing tha

6、t the Wind Turbine Generator Foundation is designed and optimized.Keywords: wind turbine generator foundation; contact; finite element method; nonlinearity1 引言我國風(fēng)能資源豐富，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、開發(fā)條件最具規(guī)模和商業(yè)化發(fā)展前景最好的發(fā)電方式之一1。風(fēng)力發(fā)電機組的塔筒與基礎(chǔ)構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機組的支撐結(jié)構(gòu)，將風(fēng)力發(fā)電機支撐在60100m的高空，以獲得充足、穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電2。由于風(fēng)力產(chǎn)生極大的傾覆力矩傳于基礎(chǔ)，增大了風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)設(shè)計

7、難度3。本文以輝騰錫勒風(fēng)電場工程為例，采用三維有限元方法，分析了風(fēng)力發(fā)電機鋼筋混凝土基礎(chǔ)的基本力學(xué)特性。通過設(shè)置基礎(chǔ)環(huán)與混凝土及鋼筋混凝土基礎(chǔ)與地基間的接觸，模擬基礎(chǔ)環(huán)與混凝土及鋼筋混凝土基礎(chǔ)與地基間可能的脫開、滑動等情況，分析了接觸問題對風(fēng)機基礎(chǔ)有限元分析的影響。研究結(jié)果為我國正在建設(shè)和待建的風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計提供有益的參考。輝騰錫勒風(fēng)電場位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察右中旗境內(nèi)。風(fēng)電場裝機容量為30MW，有20臺GE1.5sle 50HZ葉片為GE 37c輪轂高度為80m的風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)安全等級為2級，設(shè)計等級為2級。該工程場區(qū)地震基本烈度為度，抗震設(shè)防烈度為6度。2 接觸問題有限

8、元基本原理接觸是典型的狀態(tài)非線性問題，它是一種高度非線性行為，能很好的模擬兩個或多個相互接觸物體的位移、接觸區(qū)域的大小和接觸面上的應(yīng)力分布等。（1）法向接觸條件不可侵入條件 任意“接觸點對”不可侵入性條件可以一般地表示為 （1）式中，為接觸點對的距離在法向方向的投影；、分別表示、面上任意點的位移向量；為初始間隙；為目標面單位法向向量。表示接觸點對分離，表示接觸點對接觸。而則表示接觸物體相互侵入。法向接觸力為壓力條件 在不考慮接觸面間的粘附的情況下，法向接觸力只能是壓力，且滿足不相容條件，即 （2）（2）切向接觸條件摩擦力條件切向摩擦力，即摩擦力的數(shù)值不能超過它的極限值，即 (3)式中：為摩擦系

9、數(shù)；，分別為切向和法向接觸力。當時，接觸面之間無切向相對滑動；當時，接觸面間將發(fā)生切向相對滑動。3 三維有限元模型及計算方案3.1 三維有限元模型風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)環(huán)為特種鋼材料，風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土強度等級為C35，墊層混凝土強度等級為C20。風(fēng)力發(fā)電機采用圓形基礎(chǔ)，立視見圖1。在有限元模型中，采用梯形荷載模擬風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)上覆回填土。采用六面體8節(jié)點實體單元模擬基礎(chǔ)環(huán)、混凝土結(jié)構(gòu)和地基。風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)、地基材料特性見表1。風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)主體直徑為16.4m。地基深度取48m，水平方向直徑取96m（見圖2）。地基底面固端約束。地基四周采用水平方向位移約束。地基已處于自然穩(wěn)定狀態(tài)，有限元分析時，不計地基

10、的自重。風(fēng)機基礎(chǔ)有限元模型見圖3。圖1 風(fēng)機基礎(chǔ)剖面（單位：mm）圖2 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)整體模型 圖3 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)網(wǎng)格剖分表1 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)、地基材料特性材料或部位物理量參考取值計算取值單位備注C35基礎(chǔ)混凝土彈性模量E3.153.15×104N/mm2根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范SL191-2008C35基礎(chǔ)混凝土泊松比0.1670.167C35基礎(chǔ)混凝土重力密度（重度）2525kN/m3C35基礎(chǔ)混凝土軸心抗拉強度ft1.571.57N/mm2C20墊層混凝土彈性模量E2.55×1042.55×104N/mm2C20墊層混凝土泊松比0.1670.167C20

11、墊層混凝土重力密度（重度）2424kN/m3基礎(chǔ)環(huán)彈性模量E2×1052×105基礎(chǔ)環(huán)泊松比0.30.3根據(jù)工程實例基礎(chǔ)環(huán)密度78507850kg/m3地基彈性模量E1.5×1031×1051×104N/mm2地基泊松比0.3-0.40.35基礎(chǔ)與地基之間；基礎(chǔ)環(huán)與周圍混凝土之間摩擦系數(shù)0.23.2 計算方案計算荷載與計算方案見表2。表2 計算荷載與計算方案方案計算荷載基礎(chǔ)環(huán)與混凝土間的接觸基礎(chǔ)與地基間的接觸1水平合力Fx=558.225kN豎向力Fz=2.564 × 103kN彎矩合力My=4.42 × 104kN

12、3;m扭矩Mz=841.185kN·m風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)自重風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)上部回填土的自重考慮考慮2不考慮考慮3考慮不考慮4不考慮不考慮4 計算結(jié)果與分析4.1 風(fēng)機基礎(chǔ)整體變形方案1風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土整體變形見Error! Reference source not found.。水平合力矩（即彎矩）對風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的作用最為明顯，沿著水平合力矩旋轉(zhuǎn)方向，風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)一側(cè)向上隆起，另一部分凹陷。基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)混凝土也沿水平合力矩方向隨著基礎(chǔ)環(huán)變形。圖4 方案1風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土縱剖面（沿x軸方向）Z向位移（單位：mm）4.2 風(fēng)機基礎(chǔ)接觸非線性問題方案1基礎(chǔ)環(huán)與外部混凝土間的變形見圖5、圖6。

13、從圖5（接觸間隙負值代表接觸面和目標面互相分離，零代表接觸面和目標面接觸）可知，基礎(chǔ)環(huán)與隆起一側(cè)的外圍混凝土脫開，最大間隙為0.271mm。從圖6（nearcontact代表接觸面目標面相互分離，sliding代表接觸面目標面產(chǎn)生滑移，sticking代表接觸面目標面處于粘著狀態(tài)）可知，基礎(chǔ)環(huán)與凹陷一側(cè)的外圍混凝土產(chǎn)生滑移?；A(chǔ)環(huán)與內(nèi)部混凝土間的變形見圖7、圖8。從圖7可知，基礎(chǔ)環(huán)與隆起一側(cè)的下部混凝土和凹陷一側(cè)的上部混凝土脫開，最大間隙值為0.124mm。從圖8可知，基礎(chǔ)環(huán)與兩側(cè)的混凝土都產(chǎn)生了滑移。風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)底部與地基間的變形見圖9、圖10。從圖9可知，風(fēng)機基礎(chǔ)底部與地基出現(xiàn)部分脫開現(xiàn)

14、象。但脫開區(qū)域小于1/4，滿足規(guī)范要求4。圖5 方案1基礎(chǔ)環(huán)外部接觸間隙（單位：mm） 圖6 方案1基礎(chǔ)環(huán)外部接觸狀態(tài)圖7 方案1基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部接觸間隙（單位：mm） 圖8 方案1基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部接觸狀態(tài)圖9 方案1風(fēng)機基礎(chǔ)底部與地基的接觸狀態(tài)圖10 方案1風(fēng)機基礎(chǔ)底部與地基的接觸間隙（單位：mm）方案2（見表2）風(fēng)機基礎(chǔ)與地基間接觸狀態(tài)，接觸間隙見Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.。不考慮基礎(chǔ)環(huán)與周圍混凝土間接觸時，混凝土墊層與地基間脫開距離由0.174mm（方案5）減小到0.133mm（方案6）。

15、說明不考慮基礎(chǔ)環(huán)與周圍混凝土的接觸非線性，變形減小，計算結(jié)果偏小。圖11 方案2風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)和地基的接觸間隙（單位：mm）圖12 方案2風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)底部和地基的接觸狀態(tài)方案3（見表2）基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的接觸狀態(tài)、接觸間隙見圖14、圖13，不考慮素混凝土和地基間的接觸時，基礎(chǔ)鋼環(huán)與外部混凝土脫開趨勢和方案1相同，但上部最大脫開距離由0.271mm（方案1）減小到0.237mm（方案3）。說明不考慮素混凝土和地基間接觸非線性，變形減小，計算結(jié)果偏小。圖13 方案3基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部接觸間隙（單位：mm）圖14 方案3基礎(chǔ)環(huán)外部接觸間隙（單位：mm）方案4有限元計算結(jié)果見圖16、圖15。由圖16可知，X軸

16、負側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，素混凝土墊層和地基間有脫開的可能。如果不考慮素混凝土和地基間的接觸，不能很好的模擬素混凝土墊層和地基間脫開間隙，接觸狀態(tài)，因此考慮素混凝土墊層和地基間的接觸是非常必要的。方案4基礎(chǔ)鋼環(huán)變形前后總位移見圖15，從圖15可知，基礎(chǔ)鋼環(huán)變形較大，如果不設(shè)置基礎(chǔ)鋼環(huán)與周圍混凝土的接觸，不能很好的模擬基礎(chǔ)鋼環(huán)與周圍混凝土的脫開、滑移情況。因此考慮基礎(chǔ)鋼環(huán)與周圍混凝土的接觸是非常必要的。圖15 方案4基礎(chǔ)鋼環(huán)變形前后總位移對比圖（單位：mm）圖16 方案4素混凝土墊層與地基交界面Z向應(yīng)力（單位：MPa）5 結(jié)語a通過對輝騰錫勒風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)力學(xué)性能的有限元分析，獲得了風(fēng)機基礎(chǔ)在大風(fēng)荷載作用下的受力特點，為風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計和優(yōu)化提供參考。b基礎(chǔ)環(huán)與周圍混凝土和素混凝土墊層與地基間接觸非線性設(shè)置相互影響，如果不考慮接觸非線性問題，計算結(jié)果偏小。因此，有限元分析時，考慮接觸非線性，能更真實的模擬風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性，使有限元計算結(jié)果更趨于合理。c在素混凝土墊