EDF開源CAE Code_Aster案例 | 在海上風力發電機上的應用

CAE璐姐

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關于Code_Aster

Code_Aster為法國電力集團（EDF）自1989年起開始研發的通用結構和熱力耦合有限元仿真軟件。

Code_Aster可用于力學、熱學和聲學等物理現象的仿真分析，以及進行上述現象的耦合仿真分析。作為一款有限元仿真軟件，Code_Aster可進行靜力學、動力學和振動、子結構分析、土-結構相互作用、流固耦合、熱學等問題的仿真分析，具備廣闊的應用范圍。Code_Aster功能豐富，內置400余種有限單元，擅長處理各類非線性問題。目前Code_Aster與功能強大的仿真平臺Salome有機結合，開發出結構與熱力耦合的集成仿真平臺Salome_Meca，其功能覆蓋結構仿真全流程的各個環節——CAD建模、網格剖分、分析計算以及結果可視化和統計分析。

借助Salome_Meca平臺可開展Code_Aster與其他仿真分析軟件（如CFD、概率分析軟件）的耦合仿真。Code_Aster的開發遵循嚴格的質保要求，目前已通過工業領域的認證，在各工業領域尤其是能源電力領域有大量的工程和研發應用案例。

研究背景

風電作為一種可再生能源，一直被視為緩解化石能源短缺的有效方法。其中海上風電與陸上風電廠相比，具有不占用土地資源，基本不受地形地貌影響，風速更高，風電機組單機容量更大，年利用小時數更高等優點。

傳統的海上風機結構主要是重力式基礎(Gravity-Based Structure, GBS)或單根鋼管柱基礎，即使用混凝土基底或插入海床中的結構抵抗可能的滑移，如下圖(左)所示。

圖1.jpg

這兩種結構受海底深度以及海床結構影響較大，一定程度上限制了這兩種結構的廣泛運用。然而隨著全球能源需求增大，若要安裝更多的海上風機，必然要向更遠更深的海域發展。此時漂浮式海上風機(上圖右)運用更為廣泛，可用于50m以上的深度。但由于漂浮式風機承受荷載的特殊性、工作狀態的復雜性、投資回報效率等原因，這種基礎形式目前仍需要大量的研究。

針對上述問題，本文主要介紹了使用Code_Aster對重力式基礎結構和漂浮式風機的數值建模和模擬案例。

重力式基礎風機

對重力式風機水下部分建模、簡化并劃分網格，如下圖所示：

圖2.jpg

對于該結構需要考慮的載荷是海床與混凝土結構的相互作用以及該結構在水下受到的水壓。其中，海床與結構的相互作用以振動的形式施加載荷，Code_Aster中的振動模型如下圖所示：

圖3.png

選取了海上電機在幾種典型的振動頻率[1]下是否考慮海床-結構相互作用的差異，如下圖所示

此外，對于水下部分受到的壓強可以分為上下兩個部分，即上部水壓以及底部海底泥沙的壓強，如下圖所示：

上部分水壓根據浪波長以及深度計算：

圖6.png

而泥沙部分的壓強則等效成關于時間和位置的函數，如下圖所示：

圖7.jpg

重力式風機 - 模擬結果

擬總共選取了2種不同深度(27m,42m)，12種底部滲透率和9種浪的周期(4~20s)，共216組。力矩(左)和力(右)隨時間的變化：

不同滲透率下受力隨波浪周期的變化：

圖9.jpg

不同波浪波長下水下中心部分截面的壓強分布：

波長12m

波長85m

動球.gif

漂浮式基礎風機

漂浮式風機，顧名思義即沒有固定的基座直接漂浮在海上，可能受到風，海浪或洋流影響而移動。漂浮式風機的關鍵部分是三根鋼錨索，長度在400~1000m不等，以及一根海底電纜用作電力輸出。不斷變化的拉力和深海工作環境導致錨索經常出現磨損。因此本研究運用Code_Aster對三根鋼錨索的受力情況進行數值模擬。