基于多桩钢构基础的海上风电机组整机自振特性分析

　　模态分析基本原理
　　一、模态分析基本原理
　　动力学基本方程可表示为：
　　其中：[M]、[C]、[K] 分别为质量、阻尼、刚度矩阵；｛ǔ｝｛ù｝｛υ｝,分别为节点的加速度、速度、位移向量。
　　对于模态分析而言，其假定为忽略阻尼的自由振动形式（即[C]=0 ；F(t)=0）：

　　对于典型的无阻尼模态分析而言，基本方程的求解实质上是特征值求解问题：
　　
　　其中： ｛φ_ι｝为第i 阶模态的特征向量； ω_i 为第i 阶模态的固有频率。
　　二、模态分析
　　（一） 有限元模型
　　1、塔筒
　　在忽略法兰连接的情况下，可认为塔筒是变截面壳体。根据其几何主要受力特性，可采用板单元或壳单元，由于壳单元除了弯曲变形还有中面变形，而且壳体的弯曲内力和中面内力相互联系、相互影响，但板单元的变形只为弯曲变形，因此，塔筒采用壳单元SHELL181 最为合理。由于本塔筒沿高度方向厚度变化多，共11 种壁厚参数，在建模时完全按照实际情况进行了建模，如图2。塔架几何参数见表1。

　　2、桨叶、机舱和轮毂
　　桨叶转动频率与固有频率相差较大，采用传统的建模方法，不考虑桨叶转动对塔体的影响，即为停机状态下的风电塔。将桨叶、机舱与轮毂作为集中质量作用于塔顶，考虑使得质量在塔顶分布均匀，因此将质量平均分散在塔顶的十个节点上，均采用mass21 质量单元模拟。
　　3、风电机组基础结构
　　风电机组基础结构为五桩钢构架结构，钢构架部分均按照实际尺寸进行建模，考虑均为连续的壳体结构，采用壳单元SHELL181 来模拟，如图3。基础导管架几何参数，见表2。

　　4、边界条件设计
　　为了合理地反映真实的情况，需要根据桩土相互作用的原理来确定泥面以下五桩的嵌固端。考虑桩土相互作用通常有两种方式：一是考虑地基的非线性变形，在泥面下采用一组弹簧和阻尼器模拟桩土非线性作用，即将泥面一下的桩基用非线性弹簧单元模拟，按地基的P － y 曲线给出非线性弹簧的刚度随侧向位移的变化关系，同时用阻尼单元模拟土体的阻尼作用；二是采用假想嵌固点的方法，在泥底面一下一定深度处将平台桩完全嵌固。