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。     

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。     

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。     

大型水平轴风力机塔筒门洞的强度研究

为了实现某大型水平轴风力机塔筒底部门洞的抗极限与疲劳强度设计,基于热点应力法,建立塔筒门洞的有限元模型,并应用疲劳分析软件,分析计算得到门洞焊趾处的极限与疲劳强度。在此基础上,考察门洞结构参数如门框宽度、门框长度、塔筒壁厚对焊趾疲劳损伤的影响,并给出相应的结构优化方案。结果表明,所提出的方法在大型水平轴风力机塔筒门洞设计上具有可行性和有效性。     

风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

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。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

考虑桩基础柔性的固定式海上风力机调谐液柱阻尼器振动控制研究

采用线性耦合弹簧模拟风力机桩基础柔性，基于时域整体耦合分析方法，建立考虑桩基础柔性的海上风力机-调谐液柱阻尼器（TLCD）的耦合数值仿真模型，开展风浪联合作用下固定式海上风力机结构振动控制研究，探讨TLCD对于减振效果的影响，并结合频域响应揭示了TLCD的减振机理。研究表明，所设计TLCD通过调谐支撑结构一阶模态有效降低了固定式海上风力机结构自由衰减时程和耦合运动响应。与此同时，验证了不同设计工况下海上风力结构减振效果的差异，以及环境荷载与海上风力结构耦合效应对于TLCD减振效果的影响，进一步，依据海上风力机结构耦合运动响应控制率对TLCD的适用性和有效性进行了评价。     

局部冲刷对复合筒基风电结构体系动力响应影响

建立风力机塔筒-复合筒型基础-冲刷地基的耦合动力分析模型,通过实测数据验证数值模型的准确性.基于已完成的复合筒基地基冲刷试验,在耦合动力模型中实现冲刷地基模型的准确建立,考虑局部冲刷后应力历史对剩余土体参数的影响,分析风力机结构体系的动力响应特征,将计算结果与不考虑冲刷影响的计算结果进行对比.结果表明:地基的冲刷使得风...     

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。     

地震荷载作用下海上风力机结构动力模型试验

综合考虑弹性相似律和佛劳德数(Fr)相似开展固定式多桩基础海上风力机结构动力模型试验,研究海上风力机整体结构在地震、风、波浪及海流单独及联合作用下的结构动力反应。运用ANSYS建立试验模型的有限元模型,将实测的地震波、风荷载和波高时程等荷载条件施加于数值模型,开展动力时程反应分析。通过试验数据与有限元结果的对比分析得出,在进行地震荷载作用下海上风力机结构动力反应分析时,需要考虑风、波浪等荷载因素的影响;地震、风、波浪荷载之间的耦合作用对结构内力反应具有显著影响,特别是当设计地震峰值加速度较小时,风与波浪荷载作用下的结构内力反应与地震荷载作用时效果相当。     

海上风电全钢质筒型基础波浪疲劳分析与优化

疲劳是控制海上风电基础结构安全的主要因素之一，针对海上风电全钢质新型筒型基础结构疲劳问题展开研究，基于随机波浪理论与频谱分析方法，阐述了长期海况分布下结构交变应力服从Rayleigh分布的疲劳损伤累积计算方法；借助全钢质海上风电筒型基础基于前述理论开展了疲劳损伤与寿命计算，获得筒型基础主要的疲劳破坏点集中在斜撑与圆柱体连接的位置，并基于此进行了结构局部优化，结果对比表明关键部位的几何优化可极大降低应力集中程度，减小疲劳累积损伤，同时也验证了疲劳计算结果对热点应力水平具有高敏感性。     

深水海上风电三筒导管架基础受力及浮运分析

以中国福建某较深海域风电场为背景,提出一种海上风电宽浅型三筒导管架基础结构,继而通过建立考虑分层土体的基础整体有限元模型,对分层土中宽浅型三筒导管架基础静动力特性及浮运稳性展开研究。研究结果表明,正常荷载作用下此基础结构法兰倾斜率为3.98‰,满足规范要求：极限荷载作用下,基础结构各部位应力满足要求;基础-塔筒-机组整体共振校核满足要求：基础可在4级风浪以内的海况下进行自浮远距离拖航浮运;等效疲劳荷载作用下,基础结构疲劳损伤满足要求。     

地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构减振策略

针对中国部分近海海上风电场位于高烈度地震区而面临地震潜在威胁的问题,提出地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构整体耦合分析方法,开发地震荷载计算模块,基于FAST v8建立海上风力机地震整体耦合分析模型。根据整体耦合模型,揭示了地震风浪作用下海上风力机运动响应特性以及机电安全控制策略在减振方面存在的不足。进一步提出机电安全控制-MTMD联合减振控制策略,并探讨叶片顺桨速率对联合控制策略减振效果的影响;同时,以海上风力机结构地震响应为评价指标,对该联合控制策略的有效性进行了验证。     

大型水平轴风力机塔筒涡激振动焊缝疲劳分析

为了实现大型水平轴风力机塔筒在涡激振动下的抗疲劳设计,提出综合GL 2010认证规范、德国标准等的校核方法。分析对比有限元法和GH Bladed软件下的塔筒动态固有特性结果。基于DIN 4133标准,分析得到涡激振动下的塔筒截面惯性力和附加弯矩。采用工程算法计算得到塔筒截面应力变程,推导涡激振动引起的疲劳损伤表达式。以某2.0 MW水平轴风力机塔筒为对象,计算不同方案下的疲劳损伤值,分析沿塔筒高度方向的损伤分布规律。为风力机塔筒涡激振动引发的疲劳损伤分析提供实用分析方法。     

考虑桩基础柔性的固定式海上风力机调谐质量阻尼器参数优化研究

将被动调谐质量阻尼器（TMD）应用于单桩基础海上风力机，以降低风、浪联合作用下风力机塔筒结构动力响应。利用等效桩长法模拟桩基础柔性，将该方法引入气动-水动-伺服-弹性-振动控制风力机仿真程序FAST-SC，建立能考虑桩基础柔性影响的固定式风力机-TMD耦合数值仿真模型。同时，选取固定式海上风力机支撑结构一阶弯曲模态为主模态，并将TMD简化为单自由度体系，基于拉格朗日方程建立简化的单桩海上风力机-TMD耦合模型。基于该简化模型，采用响应面法分别对刚性桩基础和柔性桩基础条件下的海上风力机的TMD参数进行优化。将优化的TMD参数代入所建立的能考虑桩基础柔性影响的海上风力机-TMD耦合数值模型中，对比不同风、浪作用下TMD对采用不同桩基础边界条件的海上风力机减振效果的差异。通过对比得出：不同桩基础边界使得单桩基础海上风力机结构频率不同，所得的最优TMD设计参数也不相同，优化设计后的TMD对风、浪联合作用下柔性桩基础海上风力机的减振效果明显优于刚性桩基础。     

基于流固耦合的风力机塔筒动态特性分析

塔筒动态特性分析对风力发电机的振动设计起着关键作用。文章以1.5 MW风力发电机塔筒为研究对象,将叶片旋转和随机风载荷作为载荷输入条件,建立风力机塔筒叶片旋转载荷模型、流固耦合风载荷模型、结构动力学方程,分析计算得到随机载荷下叶片旋转和风载共同作用时,风力机塔筒动态特性评估方法。     

海上风力机基础结构的疲劳损伤组成研究

针对海上风力机基础结构疲劳损伤、疲劳寿命评价方法展开研究。结合风向、波向概率分布,基于确定性方法计算风电机组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,进而得到风电机组结构的总体疲劳损伤效应。分析结构各节点疲劳损伤效应的组成,证明波浪荷载疲劳分析的必要性。     

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。     

水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。