海上风力机高桩承台基础反应特性研究

采用ANSYS建立由实体单元、壳单元、杆单元和管单元组成的海上风力机高桩承台混合模型。对极端工况下高桩混凝土承台进行有限元分析,得到承台混凝土和钢结构应力分布模型。通过对不同荷载组合下混凝土拉应力超限区域分布对比得到海上高桩承台基础结构在风力机荷载作用下的反应特性。结果表明:桩基础结构应力主要受波流荷载影响,塔筒过渡段结构应力主要受风力机荷载影响。高桩承台基础最易发生破坏结构为混凝土承台,在风力机荷载和波流荷载联合作用下,混凝土承台拉应力超限区主要分布在法兰盘受压区混凝土和钢管桩管壁处填芯混凝土。风力机上部结构产生的风力机荷载使高桩承台迎水面填芯混凝土处和与中心法兰盘接触处的混凝土拉应力超限;在波流荷载作用下,该超限区中高桩承台与风力机塔筒连接处和迎水面填芯混凝土处的拉应力超限区域减小。     

基于非线性接触的风电基础数值模拟

运用通用有限元分析软件ANSYS程序,对风力机基础的简化模型试验进行基于面面接触的非线性有限元模拟与分析,并对其内部钢板表面的应变分布以及钢-混凝土的滑移粘结等性能进行研究,建议基础环的锚固长度为700 mm。根据简化试验模型的非线性接触模型参数,建立足尺风力机基础有限元模型,研究风电基础在极端工况下的混凝土、基础钢环及钢筋的应力应变分布。计算结果表明,该实际风力机基础在极端工况下尽管出现了局部混凝土受拉破坏,但由于钢筋的参与抑制了裂缝的开展,整体结构受力良好,完全能保证上部结构的正常运行。     

基础环式风力机基础在线监测与损伤评估方法研究

针对风力机运行及基础环式基础风致疲劳损伤特点,提出“上下联动,动静结合”的在线监测和损伤评估方案,即基于基础环水平度测量结果确定线性差分式位移传感器（LVDT）位移计安装位置,并将实时采集的位移信号接入风力机数据采集与监控（SCADA）系统,可实现与上部机组参数同步采集、分析与损伤评估。现场监测结果表明,风力机在启停机、偏航、高中低速运行平稳段等常见工况下轮毂转速与基础环水平度的相关系数均为0.8及以上,为极强相关,故可将轮毂转速视为基础所受的“等效荷载”;通过绘制启机工况下的轮毂转速n-基础环位移Δ曲线,确定临界轮毂转速下限nd和上限nu以及斜率k等曲线参数,可评估风力机基础疲劳损伤程度;通过绘制机头方位角θ-基础环最大水平度Δmax曲线,可确定下法兰周边混凝土磨损性空腔分布区域及大小,为后期基础注浆提供明确的加固位置。     

风力发电塔预埋塔筒基础健康监测

以风力发电塔预埋塔筒基础为研究对象,建立一种基于振弦式应变计的长期监测系统,对风力机基础从养护到运行期间进行监测,对基础缺陷的出现和演化进行量化分析。监测结果表明,在基础养护期间基础环底法兰两侧混凝土出现裂缝,风力机运行期间外侧裂缝宽度随着外荷载的变化而变化;基础环底法兰上下两侧混凝土在监测期间处于正常状态,混凝土压应变分布和波动规律受到风速和风向的影响;风力机基础健康监测系统能正常运行,实现了预期设计的功能,长期监测数据可识别损伤信息,为风力机基础的维护和管理提供依据和指导。     

海冰撞击下海上风力机结构耦合动力特性与损伤分析

基于NREL 5 MW单桩基础海上风力机，考虑桩土相互作用，建立包括冰与海上风力机结构的三维精细化相互作用有限元模型，考虑冰与结构的耦合作用，运用ANSYS/LS-DYNA开展海上风力机在风-冰联合作用下损伤分析与动力响应研究，并针对结构损伤变形提出面积受损率用于评估海上风力机的损伤程度，探讨不同冰厚对海上风力机结构损伤和动力特性的影响。结果显示，随着冰厚的增加，动冰力平均值、峰值均增加，海上风力机动力响应增大。相比于海上风力机结构其他区域，基础结构接触面处损伤最大。通过该文提出的面积受损率可合理反映海上风力机在不同冰厚作用下的损伤程度，冰厚不仅会影响单桩基础的面积受损率，还会影响受损率的线性变化速度。     

考虑停机位置风力机塔架-叶片耦合体系风致稳定性能分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能。以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用CFD方法对叶片单个旋转周期间8个停机位置下风力机塔架-叶片体系的流场进行数值模拟,并与规范曲线进行对比验证数值方法的有效性。此外,结合有限元方法计算不同停机位置下风力机体系动力特性、静风响应、屈曲稳定性能和极限承载力。在此基础上,提炼出停机状态下叶片位置对风力机体系风致响应和稳定性能的演化规律,归纳总结出此类风力机体系风致失稳破坏的最不利控制工况。研究表明:在风力机叶片的1个旋转周期内,当叶片与塔架完全重合(即工况1)时,体系气动性能最差但静风响应较小;随着叶片顺时针旋转,其风致稳定性能呈现先增大后减小的规律,在工况3处其临界失稳风速达到最大,在工况6处临界失稳风速最小。同时研究发现:风力机塔架与叶片的耦合效应会产生一种能显著提高体系极限承载能力的"逆向效应",并且随着叶片对塔架遮挡面积的减小,该"逆向效应"愈加显著。     

大型风力机塔架-叶片体系风振与地震作用对比研究

为研究风荷载和地震作用对大型风力机不同部件的影响程度,建立某3 MW水平轴风力机塔架-叶片一体化有限元模型,通过CFD数值模拟获得风力机表面风压系数并作为风荷载输入参数,同时进行7度地震烈度作用下的反应谱分析。对比研究表明:叶片受风荷载控制,其在风荷载作用下的叶尖位移和叶根弯矩均明显大于地震作用下的数值;塔架由风荷载和地震作用共同控制,风荷载作用下弯矩值均沿高度方向逐渐增加,地震作用下径向与环向弯矩最大值出现在接近塔顶高度处;风荷载作用下塔底环向弯矩及径向与环向轴力均明显大于地震作用,但地震作用下塔底径向和竖向弯矩及剪力稍大于风荷载作用下的数值。     

地震作用下固定式海上风力机耦合反应分析

基于海上风力机耦合分析软件FAST V8进行二次开发,增加海上风力机地震分析模块,建立地震荷载作用下固定式海上风力机整体耦合分析模型。首先基于陆上NREL 5 MW基准风力机,通过与Seismic的计算结果对比,对该模块的适用性进行验证。然后开展不同烈度地震以及地震、风和波浪联合等不同荷载组合工况作用下的海上风力机动力反应分析,深入研究风力机运行状态、控制策略以及荷载之间的耦合作用对结构反应的影响。     

基于ABAQUS的重力坝三维非线性静动力分析

以在建的大华桥碾压混凝土重力坝为例,采用ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性本构模型,模拟了大坝在静力荷载与地震荷载下的工作性态,对比分析了坝体材料的线性与非线性对大坝应力位移的影响及坝体在地震作用下可能出现的损伤破坏区及其规律.验证结果表明,坝体材料采用非线性比线性更能反映实际坝体应力分布与位移规律及坝体的损伤破坏区,为混凝土重力坝的震害研究提供了参考依据.     

混凝土重力坝抗震破坏等级及安全评价方法

为有效地评价混凝土重力坝的抗震性能,考虑迎水面破坏、不同裂缝倾入坝体的程度、灌浆帷幕破坏程度和损伤区域的位置对重力坝整体结构的影响,基于混凝土塑性损伤力学本构模型定义大坝整体损伤指标,并以整体损伤指标划分重力坝地震破坏等级,建立混凝土重力坝抗震破坏评价模型。采用该方法对某混凝土重力坝的抗震安全进行评价,得到强震作用下大坝的破坏模式及抗震性能,结果表明该大坝在设计地震下发生的破坏为可修复性破坏,在校核地震下会发生严重破坏,坝头可能会发生断裂,建议强震发生时及时降低库水位以确保下游安全。     

大型风力机圆形扩展基础倾覆破坏机理分析

为研究以坡积土为持力层的风电基础在风荷载作用下的倾覆破坏机理,以2 MW装机容量的圆形扩展基础为研究对象,基于ABAQUS有限元软件对该基础的室内1∶10缩尺模型的地基土应力和基础沉降进行计算研究。同时利用该基础的缩尺模型试验结果验证数值模型的可靠性。研究表明:随机风荷载引起的地基土应力的扩大效应和不均匀沉降的扩大效应,是导致风力机基础出现倾覆破坏的主要原因;当受强风荷载作用时,迎风侧基础边缘的土体首先进入塑性区,发生屈服破坏,导致上覆土体隆起,基础倾覆破坏就会随之发生。建议在进行风电基础设计计算时,对风力机基础中轴线上的相对沉降验算点处的沉降乘以合适的沉降扩大系数,以保证基础结构安全稳定。     

随机风场作用下海上风力机基础结构疲劳分析

运用FAST分别建立海上风力机半整体模型与整体耦合模型,计算得到脉动风速时程作用下塔筒顶部位置的风力机荷载。首先采用SACS建立包括塔筒和基础结构的海上风力机简化有限元模型,分别施加基于半整体和整体耦合模型得到的风力机荷载时程,开展支撑结构动力响应计算;再采用海上风力机规范建议的热点应力公式确定基础结构管节点的热点应力时程,采用P-M线性累积准则完成海上风力机基础结构疲劳分析。基于半整体模型与整体耦合模型的疲劳损伤对比得出,有必要采用整体耦合模型开展海上风力机基础结构疲劳校核。     

基于损伤塑性模型的核电站超大型冷却塔损伤分析

以非线性有限元方法为基础,采用混凝土损伤塑性模型,对风荷载作用下核电站超大型冷却塔进行结构非线性分析,得到了冷却塔结构塑形损伤的发生及演变规律。通过分析发现,核电站超大型冷却塔在极端风荷载的作用下,塔身塑形损伤首先产生在塔顶刚性环处,随着荷载的增加,迎风面二分之一塔高处出现平行塑性损伤带并呈45°向下发展,直至塔体丧失承载能力。该研究成果对核电站冷却塔设计及安全评估有重要指导意义。     

基础环埋深和法兰宽度对风机基础承载性状的影响

风力发电机的基础在外部荷载作用下承受巨大的弯矩作用,基础应力分布比较复杂,在基础环法兰附近存在应力集中问题。文章通过ABAQUS有限元对风机基础进行数值模拟,计算了基础环不同埋深和基础环下法兰不同宽度情况下的基础混凝土应力、钢筋应力和基础环位移等,讨论了基础环埋深和下法兰宽度对基础承载性状的影响,为风机基础设计提供参考。     

黏土中海上风力机桩-筒复合基础地震响应分析

参考NREL海上风力机结构参数,基于ABAQUS软件平台,建立黏土中海上风力机桩-筒复合基础的三维整体有限元模型;采用总应力形式的非线性运动硬化模型描述黏土的不排水动应力应变响应,通过编制Matlab程序实现随机风荷载及波浪荷载的模拟;开展地震及风、浪、流荷载共同作用下海上风力机桩-筒复合基础的时域整体动力响应分析,揭示桩-筒复合基础的承载机理,分析地震烈度、土体强度及基础尺寸对桩-筒复合基础动力响应的影响规律。     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

海上风力机基础结构疲劳损伤研究

考虑风向、波向概率分布,将结构疲劳荷载根据实际环境作用方向施加至风力机结构上,基于确定性方法计算风力机荷载引起的疲劳损伤效应,基于波谱计算波浪荷载引起的疲劳损伤效应,进而得到风力机结构的总体疲劳损伤程度。通过与单方向输入环境疲劳荷载得到的基础结构疲劳损伤效应进行对比,可证明荷载全方位输入下的疲劳损伤分析的合理性。     

考虑桩基础柔性的地震风浪作用下海上风力机结构耦合响应机理研究

基于FAST海上风力机整体耦合分析理论和桩基线性化理论,建立包含桩基础柔性的海上风力机基础结构的整体耦合运动方程。进而,通过对FAST v8进行二次开发,同时考虑桩基础柔性,建立包括转子机舱组件-风力机塔筒-基础结构的海上风力机在地震、风、浪荷载作用下的结构耦合仿真模型。根据建立的整体耦合数值仿真模型,开展地震、风、浪荷载联合作用下海上风力机动力响应研究,着重探讨桩基础柔性对于海上风力机结构在地震组合工况下的动力特性及耦合响应机理的影响。结果表明,桩基础柔性对于海上风力机结构动力特性有显著影响。与耦合弹簧边界相比,当忽略桩基础柔性时,会低估整体结构二阶频率对于地震作用下塔顶位移响应的影响,并在基底倾覆力矩响应中激发高阶模态,造成海上风力机结构动力响应变化规律的显著差异。因此,在海上风力机结构抗震设计与研究中必须考虑桩基础柔性的影响。     

台风-浪-流耦合作用下海上风力机基础结构水动力特性分析

为揭示台风-浪-流耦合作用下风力机基础结构的水动力特性,以广东外罗10 MW级海上风力机为研究对象,基于模式耦合器（MCT）建立中尺度台风-浪-流（W-S-F）实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变特性;再结合中/小尺度嵌套方法分析风力机单桩基础水动力荷载分布特性;提出不同波浪相位下基础柱极值荷载模型。结果表明：建立的W-S-F平台对台风路径的模拟精度较单WRF模式提高42.51%;台风-浪-流耦合作用下基础柱水平波浪力正峰值增大约20%,负峰值减小约18%,并沿水深方向呈指数型变化规律,周向沿180°波向角呈对称分布;T4相位为风力机基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10⁶量级,基底弯矩最大达5.2×10⁸量级。     

地震、风、浪作用下融合海水养殖的海上风力机耦合响应机理研究

为实现海洋空间立体化,最大化经济产出,提出一种单桩基础海上风电机组（OWT）融合海水养殖的新型增殖型海上风电机组结构（MOWTAC）。该研究提出基于时域耦合数值仿真工具FAST v8的新型增殖型海上风力机水动力计算模型,建立新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下的整体耦合计算模型。进一步,开展地震组合工况作用下新型增殖型海上风力机整体结构动力响应计算。由计算结果可知,地震荷载为新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下海上风力机结构响应的控制荷载。相比于风浪联合工况,新型增殖型风力机在地震荷载激励下2阶频率对于结构响应的影响显著增加。