基于多樁鋼構基礎的海上風電機組整機自振特性分析

　　模態分析基本原理
　　一、模態分析基本原理
　　動力學基本方程可表示為：
　　其中：[M]、[C]、[K] 分別為質量、阻尼、剛度矩陣；｛ǔ｝｛ù｝｛υ｝,分別為節點的加速度、速度、位移向量。
　　對于模態分析而言，其假定為忽略阻尼的自由振動形式（即[C]=0 ；F(t)=0）：

　　對于典型的無阻尼模態分析而言，基本方程的求解實質上是特征值求解問題：
　　
　　其中： ｛φ_ι｝為第i 階模態的特征向量； ω_i 為第i 階模態的固有頻率。
　　二、模態分析
　　（一） 有限元模型
　　1、塔筒
　　在忽略法蘭連接的情況下，可認為塔筒是變截面殼體。根據其幾何主要受力特性，可采用板單元或殼單元，由于殼單元除了彎曲變形還有中面變形，而且殼體的彎曲內力和中面內力相互聯系、相互影響，但板單元的變形只為彎曲變形，因此，塔筒采用殼單元SHELL181 最為合理。由于本塔筒沿高度方向厚度變化多，共11 種壁厚參數，在建模時完全按照實際情況進行了建模，如圖2。塔架幾何參數見表1。

　　2、槳葉、機艙和輪轂
　　槳葉轉動頻率與固有頻率相差較大，采用傳統的建模方法，不考慮槳葉轉動對塔體的影響，即為停機狀態下的風電塔。將槳葉、機艙與輪轂作為集中質量作用于塔頂，考慮使得質量在塔頂分布均勻，因此將質量平均分散在塔頂的十個節點上，均采用mass21 質量單元模擬。
　　3、風電機組基礎結構
　　風電機組基礎結構為五樁鋼構架結構，鋼構架部分均按照實際尺寸進行建模，考慮均為連續的殼體結構，采用殼單元SHELL181 來模擬，如圖3。基礎導管架幾何參數，見表2。

　　4、邊界條件設計
　　為了合理地反映真實的情況，需要根據樁土相互作用的原理來確定泥面以下五樁的嵌固端。考慮樁土相互作用通常有兩種方式：一是考慮地基的非線性變形，在泥面下采用一組彈簧和阻尼器模擬樁土非線性作用，即將泥面一下的樁基用非線性彈簧單元模擬，按地基的P － y 曲線給出非線性彈簧的剛度隨側向位移的變化關系，同時用阻尼單元模擬土體的阻尼作用；二是采用假想嵌固點的方法，在泥底面一下一定深度處將平臺樁完全嵌固。