漂浮式风机基础共振原因剖析_FEMTransfer软件应用案例

近年来风电开发逐渐走向深远海，漂浮式风机技术成为热门研究方向。大家对浮式风机基础的研究更多是集中在风机基础结构强度、基础在波浪中的运动响应等方面，振动问题却常常无法引起设计人员足够的重视。浮式风机若发生共振产生的后果会非常严重，某已投产的浮式风机就是因为出现共振问题而不得不将风机降速，但风机降速就意味着发电量和经济产出的降低。笔者这里就根据多年的海工和风机研发经验尝试剖析造成这种现象的原因。

1、振动评估方法

振动不同于结构强度，评估结构强度可以通过留裕量保证结构安全，振动就不行了。振动频率算得准就是准，不准就是不准，没法通过留裕量规避共振问题。

工程上一般都是通过仿真软件建立精准的浮式风机模型，然后计算浮式风机的固有频率，只要风轮旋转频率区间与固有频率不重叠就能避免风机发生共振。对于浮式风机这种存在外部激励载荷的情况，工程上不建议采用激励载荷下的强迫振动方法评估振动特性，因为不论是软件算法还是硬件实物，越简单的东西越可靠，只要仿真模型建得足够精准，计算得到的固有频率就一定和实际情况是一致的。

2、附加质量

对于具有固有频率的系统，其振动频率通常取决于以下几个因素：

1）质量：物体的质量越大，其固有频率越低。这是因为较大的质量需要更多的能量来进行振动，导致频率减小。

2）刚度：物体的刚度越大，其固有频率越高。刚度反映了物体对外部力的响应能力，较高的刚度会导致振动更频繁。

3）几何形状：物体的几何形状也会对其固有频率产生影响。几何形状的改变可能会改变物体的刚度或质量分布，从而影响固有频率。

影响固有频率的因素有很多，本文重点关注一个很容易被浮式风机设计人员忽视的因素，那就是海水的附加质量。由于海水是有粘性的，计算浮式风机固有频率时用到的质量不单单要包含浮式风机自身重量，海水粘性对质量的实际效应相当于给浮式风机自身重量附加了另一个质量，这就是附加质量。

在船舶的理论中，横向附加质量约为船舶质量的0.75-1.00倍，纵向附加质量约为船舶质量的0.07-0.10倍，由此可见计算浮式结构物的固有频率时是绝对不能忽略附加质量的。固定式海上风机的固有频率受边界约束条件（即地基）的影响更明显，受附加质量的影响不明显。但附加质量对浮式风机固有频率的影响却非常明显，附加质量会明显拉低浮式风机的固有频率。

3、浮式风机固有频率计算

采用ABAQUS软件建立的风机有限元网格模型如下图所示。模型中用壳单元模拟塔架，根据实际尺寸对塔架各分段定义不同的厚度属性，忽略如爬梯、台架这类附件。机舱部分设定成一个由实体单元组成的质量块，要求机舱模型的重量和重心位置与实际数据相差不能超过0.1%。轮毂和叶片简化成质量点，然后将质量点与机舱质量块刚性关联起来。

与陆上风机不同，浮式风机系统还要承受外界海洋环境的影响，动力响应过程更为复杂，所以建立基于结构—流场全耦合的流固耦合理论背景下的动力响应模型是十分有必要的。采用ABAQUS软件建立的风机—水域流固耦合有限元模型和边界条件见下图。流体单元采用AC3D8R声学单元，水域外表面需施加无反射边界面以模拟无限水域。水域分为内外域，内域网格较密而外域网格稀松，这样在保证计算精度的前提下提高了计算速度。水域和风机结构模型可以采用不同网格单元，只需要在耦合界面的接触面上采用绑定接触，就可以将流体和结构两个子系统相互作用产生的作用力传递过去。

假定风轮转速范围rpm为4-11r/min，对应的工作频率为f=rpm/60=[0.067Hz，0.183Hz]。由于风机一般都是3个叶片，所以在风力发电机组的设计中就要使系统的低阶固有频率避开风轮旋转频率的3倍频率，即[0.201Hz, 0.549Hz]区间。工程上一般要求系统的低阶固有频率与风轮旋转频率相差至少±20%，假定浮式风机系统的一阶固有频率为0.35426Hz，处于[0.201Hz, 0.549Hz]区间内，说明风机系统会在风轮转速达到7.0852r/min附近时发生共振，所以要求该共振转速必须和额定转速错开。

振动能量主要集中于一、二阶频率，所以低阶固有频率更加应该得到重视。不同于船舶等其他浮式结构，浮式风机的塔架属于高耸结构且刚度明显小于风机基础，所以塔架一般会在[0.1Hz,0.3Hz]这种极低的频率区间就出现一、二阶水平摆振。若对附加质量考虑不足就会使浮式风机的固有频率实际值低于设计值，虽然设计时固有频率计算值高于风轮旋转频率区间，但固有频率实际值正好可能处于风轮旋转频率区间，这就可能造成设计时不会出现共振、但实际投产以后却发生很严重的共振问题，最后只能通过降低风机转速规避共振问题，造成极大的发电量和经济损失。

4、仿真模型转换

行业内通常都是使用Sesam、Ansys等仿真软件计算浮式风机，但这些软件无法准确地模拟水域的附加质量，Abaqus软件可以做到这点，但如果每次都在Sesam和Abaqus软件中重复建模就会造成很大的工作量。大型复杂结构的建模工作在结构分析过程中占有至少80%以上的时间比重，这个比重随着工程方案的频繁改动将会显得更为突出。

计算机辅助设计（CAD）已经存在iges、sat、step等多种数据交换标准格式，且这些格式的规范是公开可用的，但计算机辅助工程（CAE）方向至今都没有一种数据交换标准。笔者一般都是借助FEMTransfer软件（国家软件著作权编号2015SR206700）实现Patran/Nastran/Femap、Abaqus、Ansys/Workbench、Sesam(Genie/Patranpre)、盈建科/PKPM、Sacs、LsDyna等仿真分析软件的有限元模型相互转换，保证了板、梁、实体、质量点、弹簧等各类单元的完美转换，尤其着重关注和完美解决了板单元和梁单元的朝向和偏移保持和原始模型一致，最终实现了只需要建立一次模型就可以在多种CAE仿真分析软件中计算的目的，极大提高了工作效率。

Java语言的宣传口号为“一次编程，到处执行”，相同的Java代码之所以可以在不同的操作系统和平台上运行得益于Java虚拟机。而FEMTransfer软件的最终目标就是“一次建模，到处计算”，FEMTransfer软件将成为Java虚拟机一样的存在，使用者只需要建一次模型，就可以在不同计算软件环境下完成计算。

FEMTransfer软件内核本质上是世界上计算机辅助工程（CAE）方向第一种也是至今为止唯一一种数据交换标准，这才是FEMTransfer软件的关键精髓所在，它解决了CAE行业从1960年起步以来50多年一直未能有效解决的行业“痛点”。FEMTransfer软件执行CAE数据模型转换时，所有转入模型数据都要按照内置的CAE交换标准转存成中间数据，然后再按照转出模型的数据格式输出数据文件。