波浪和地震作用下高桩承台-土-结构动力响应

利用有限元软件ANSYS模拟高桩承台-土-上部结构在波浪和地震共同作用下的内力和变形,采用Morison方程计算波浪力,并对结构水平方向输入El-Centro波进行模拟,根据时程曲线分别选取初始状态和正负加速度最大状态对结构进行研究,研究了桩基础在波浪和地震共同作用下的位移、弯矩、剪力以及轴力的变化,并与地震单独作用下的结构动响应进行了对比分析。分析结果表明,在波浪和地震共同作用下,前排桩所受弯矩最大,同时,桩顶的受力最危险;桩顶轴力分布表现出角桩最大、中间桩最小的分布特征。当波浪力和地震力方向一致时,桩顶位移增大,桩身弯矩和桩顶剪力也随之增加;反之,当波浪力和地震力方向相反时,则桩顶位移减小,桩身弯矩和桩顶剪力也随之减小。     

海上风机单桩基础疲劳损伤计算方法

为提高海上风机基础疲劳损伤计算的准确性,评价不同计算方法的适用性和影响,以海上风机单桩基础为例进行疲劳评价,建立全时域的动力分析模型和基于功率谱密度函数的频域疲劳损伤计算流程,研究气动阻尼比取值、风与波浪联合作用、应力幅概率分布模型对基础疲劳损伤的影响. 结果表明：基础疲劳损伤受气动阻尼比影响突出,风致疲劳损伤对气动阻尼比的敏感性大于浪致疲劳损伤;由于风与波浪联合作用对基础的疲劳损伤有较大影响,简单叠加风致疲劳损伤和浪致疲劳损伤得到的结果较风与波浪联合作用时偏小;确定合适的应力幅概率分布模型十分必要,频域法中采用Dirlik模型得到的风致疲劳损伤和采用快速傅里叶逆变换（IFFT）的浪致疲劳损伤分别与时域法的结果相近,但叠加的总疲劳损伤小于风与波浪联合作用时的总疲劳损伤.     

不同波浪理论下风机支撑系统的动力响应

针对海上风机动力响应问题,依据修正的小振幅波理论、Airy波理论以及Stokes五阶波浪理论,建立了风机系统模型,输入P-y曲线,并模拟施加波浪、潮流荷载、风荷载等,得到了不同波浪理论下风机支撑系统的动力响应。结果表明,不同波浪理论下支撑系统最大水平位移、转角和弯矩均存在一定差异,振型和自振频率基本一致,Stokes五阶波浪对整个支撑系统的影响最显著,其次是Airy波和经修正的小振幅波。在风机设计时必须选择合适的波浪理论,分析风机在风浪流作用下的动力响应,为风机承载设计和疲劳设计提供基础资料。     

海上风机支撑结构的频域疲劳评估方法研究

针对风浪联合作用下海上风机支撑结构的疲劳问题,提出一种频域疲劳评估方法.基于风浪散布图,提出风浪联合作用下疲劳热点应力功率谱密度函数的组合方法,并提出多载荷联合作用下最大主应力线性化方法.利用多输入线性系统理论,得到风载荷作用下热点应力功率谱密度函数的计算方法,并对各种谱疲劳损伤计算方法进行对比分析.以3 MW导管架式海上风机支撑结构为研究对象,验证所提方法的计算精度,风载荷作用下热点应力功率谱密度函数计算结果与时域模拟结果吻合较好.该方法简便有效,可用于风机支撑结构疲劳的快速评估.     

海洋平台结构随机动力响应谱疲劳寿命可靠性分析

对随机波浪荷载作用下海洋平台结构动力响应和疲劳寿命评估理论作了简要叙述，通过对某深水导管架平台经损伤加固维修后整体结构的随机动力响应分析，应用随机波浪谱和线性疲劳累积损伤理论，进行了导管架结构构件和管节点的详细疲劳寿命评估，计算模型充分考虑了对平台结构动力性能和疲劳寿命有着显著影响的附属结构和质量，以及结构-桩-土的相互作用.计算结果表明,海洋平台结构的一阶模态对动力响应起主导作用；与受损构件相连接的构件疲劳寿命与损伤前相比有明显的降低，但都满足设计使用要求；频率数和频带宽的合理选取对随机波浪动力荷载作用下结构的响应有着显著的影响.     

带支腿浮式结构水动力建模及波浪力分析

为研究海上多腿浮式结构在收放桩腿的过程中水动力特性的变化规律,对某风电安装船结构进行了合理简化,使用有限元方法建立了多腿支撑结构的水动力模型,按水下桩腿长度的不同对结构划分了5种工况,探讨了船身、桩腿、桩靴的湿面单元划分,以所建模型为基础数值分析了水下桩腿长度对结构所受波浪激励力的影响,给出了结构所受波浪激励力(矩)与波浪频率的关系。结果表明:水下桩腿长度对受力、力矩的影响体现在波浪处于中频段;桩腿对引起垂荡的波浪激励力和引起纵摇的波浪激励力矩的影响不大,引起横摇的波浪激励力矩影响较大。     

风、浪、流多场耦合作用波浪传播演化机理对比分析

风、波浪与海流在海洋环境中具有强烈的耦合性,准确描述波浪在耦合场中的传播规律尤为重要。为揭示风、流与浪耦合工况的实时演化机理,本文采用Fluent构建数值波浪水池,改进了风-浪耦合边界自由液面处风与水质点速度方向的一致性;在此基础上,研究了各工况波浪传播的时空演化规律并分析了水质点速度分布特性,最终提炼出风、浪、流多场耦合机理。结果表明:提出的改进边界风-浪耦合造波技术具有良好的稳定性和有效性;风-浪耦合后波谷下沉导致二阶Stokes波不再保持"谷坦"特征,浪-流耦合导致波高显著减小、波长变长,并伴随出现波群现象;各工况水质点在水平和竖向速度的相位分布呈现花束状,同时在T_0、T_4相位分别达到正向、负向加速度极值。     

雷暴冲击风作用下风力发电机动力响应参数

为了研究移动雷暴冲击风的时域特征及其作用下风力发电机动力响应参数的特点,利用谐波叠加法模拟得到移动雷暴冲击风的风速时程;建立考虑叶片和塔筒耦合作用的风机结构有限元模型,得到沿塔筒高度方向加速度、位移、截面应力、剪力的响应分布规律;考虑风机停机状态下不同叶片的停摆角度,进一步分析叶片及塔筒的加速度、位移响应;考虑不同风向角对风机影响,分析动力响应的频域特性,给出振型参与系数、塔顶位移及加速度和塔底弯矩的幅值随频率的变化规律。研究表明,移动雷暴冲击风的风速时程包括2个明显的波峰(0～T/3、T/3～T/2),不同叶片停摆角下位移响应峰值的变化与所在位置高度密切相关,雷暴冲击风荷载频率和一阶主频(0.230 Hz左右)对结构位移和截面弯矩幅值影响明显。     

湍流风对铰接式海上风力机动力响应的影响

为适应中等水深风电开发的需要,进一步降低成本,在铰接塔平台的设计基础上,设计了一种铰接式海上风力机,研究了其在工作海况和极限海况下湍流风对风力机动力响应的影响.采用叶素动量理论计算气动载荷,势流理论计算波浪载荷,考虑风浪流的联合作用,以及瞬时湿表面变化及铰接接头的摩擦阻尼,编写了风浪流时域耦合动力响应分析程序.使用NPD谱模拟湍流风,从而计算得到了定常风和湍流风作用下铰接式海上风力机的动力响应,分析了湍流风对于风力机运动响应和发电效率的影响. 结果表明,湍流风作用下,风轮加速度和铰接点的垂向拉力变化较小,摆角、风轮推力、发电功率和铰接点水平推力的均值分别减小,但摆角和发电功率的响应变化幅度增加.另外,湍流风本身的低频特性会增大系统的低频响应,使系统产生共振.极限海况下,铰接式基础最大摆角显著增大,但依然满足生存需求.因此,湍流风对铰接式风力机的动力响应影响较大,铰接式海上风力机运动和强度分析时不可忽略湍流风的影响.     

砂土场地桩-筒复合基础地震响应离心振动台试验

地震作用容易引起砂土地基中的海上风机基础液化失效,单桩-筒型复合基础(简称桩-筒复合基础)结合了单桩基础和吸力筒基础的优势,是一种新颖的海上风机基础形式。针对砂土场地桩-筒复合基础地震响应,开展干砂及饱和砂的单桩和桩-筒复合基础的离心振动台试验,采用白噪声和具有不同频谱成分的地震波进行激振,得到两种基础形式在砂土场地中的自振频率、超孔压累积、风机加速度响应以及基础弯矩分布等。结果表明：饱和场地中筒基下的浅层土体,其超孔压累积会有所衰减,加速度幅值则被相应放大;饱和场地中单桩浅部弯矩响应较大,风机产生明显的残余位移,相比单桩,桩-筒复合基础加速度响应更大,但其在限制水平位移方面具有明显优势。研究结论对于桩-筒复合基础的抗震分析具有参考价值。     

风电塔在地震和风荷载下的失效概率评估

本文主要对于某在役风电塔在地震和风荷载下的失效概率进行评估,并展开对比分析。为了对于地震和风荷载进行灾害危险性分析,首先结合风电塔特有的设计使用年限对于特定地区下的地震和风的发生概率开展了概率分析,得到灾害危险性曲线。为了对于该风电塔在地震和风荷载下进行易损性分析,以壳体单元和梁单元建立了包含叶片和塔体的有限元模型,以地震反应谱和风谱为基准选择和生成了多组时程记录,使用增量时程动力时程分析的手段,分别在地震和风荷载下,开展大量的非线性有限元计算,得到该风电塔在两个灾种下的易损性曲线。根据危险性分析和易损性分析结果,使用全概率公式,比较了地震和风两种不同灾种下的风电塔的总体失效概率。结果表明,基于风电塔特定设计使用年限的危险性评估可以避免计算过于保守的问题。该风电塔由于可变桨距,风荷载下在运转工况范围内响应大致保持不变。另外,对于该风电塔,风荷载下的失效概率大于地震,一方面是因为风电塔是相对长周期的结构,位于地震反应谱的下降段,因此实际的地震响应比较低,另一方面,该风电塔结构建设在风能的充沛区域,强风荷载的发生概率较大。本文所开展的考虑风电塔特有设计使用年限的概率分析对于风电领域在多灾种下的概率评估提供了有益指导。     

海上风力发电机组塔架海波载荷的分析

由于海上风力发电机组的外界载荷条件比陆地上的风力发电机组更加复杂,因此在机组设计中要考虑到海上风机载荷条件.在研究海波性能和运动规律的基础上,给出了海水中的塔架载荷的计算公式;针对海上风力发电机组的结构特点,将研究的海波载荷计算方法用于风机的塔架载荷计算,以1.0 MW风力发电机组为例,对塔架所承受的海波载荷和风载荷进行了计算,经过对比分析可知,风载荷大于海波载荷并为同一数量级的载荷,因此,在设计中更应注意这两种载荷的耦合作用.     

地震波传播方向对风力机动力响应的影响

为了研究风力机遭遇地震时地震波传播方向对动力学响应和机组性能的影响,基于Wolf土-构耦合模型和多体系统动力学理论建立了5 MW风力机的动力学分析模型.通过编制程序实现了风力机地震波、气动载荷与结构弹性变形相互耦合响应的数值仿真.结果表明,正向地震主要影响叶片挥舞方向振动变形和塔基的俯仰力矩,而侧向地震主要影响叶片摆振方向振动变形和塔基的横摇力矩,地震作用下叶根力矩最大值增幅可达66. 67%,塔基力矩最大值增幅可达98. 23%.     

地震动强度及近断层速度脉冲峰值对简支板桥地震响应影响

地震动强度和近断层速度脉冲峰值均为导致桥梁结构震害的主要原因。与其他桥型相比,简支板桥在地震中更容易发生破坏和损毁。作者以在2008年汶川地震中出现严重破坏的高原大桥（预应力混凝土简支空心板桥）为研究背景,探讨大桥所处场地的人工边界分别为自由边界、固定边界、黏弹性边界和黏弹性+阻尼层边界时对计算结果精度、计算效率等的影响。通过ABAQUS建立包含高原大桥及其场地的整体有限元模型,人工边界采用黏弹性+阻尼层边界,并以地震波加速度峰值作为地震动强度指标和人工合成近断层速度脉冲型地震波,分析地震动强度、近断层速度脉冲峰值对简支板桥地震响应影响程度。结果表明：人工边界为黏弹性+阻尼层边界时,可有效减弱边界处的反射效应,计算结果精度基本能满足要求;近断层速度脉冲峰值对结构地震响应的影响比地震动强度更为显著;场地表面加速度峰值随地震动强度提高而增加;近河岸和存在基岩分界面易导致简支板桥局部结构的地震响应加剧;随地震动强度或近断层速度脉冲峰值或地震波位移峰值的增加,跨径变化峰值、相对滑移量和滑移峰值变大;近断层速度脉冲型地震波对桥梁的影响比无脉冲型地震波更为不利。     

基于FrontISTR的大规模地震数值模拟软件的研发

基于开源并行有限元程序开发平台FrontISTR,研制了大规模地震数值模拟的计算软件EduS/FrontISTR。文章介绍了该计算软件模拟地震断层及震源的方法,并将数值模拟的地壳变动和地震波传播的时序曲线同理论解进行比较,得到同理论解一致的结果。该软件嵌入日本全土地震灾害非均匀的地下结构(J-SHIS)和松原地震波速度模型融合的数据库, 同时能够考虑地表地形及海底的形状。以日本东北部海域发生的Mw9.0特级大地震为例,用EduS/FrontISTR软件进行了地壳变动和地震波传播数值模拟,准确地再现了新泻—神户地区的应变集中现象,精确展现了大地震发生后地震波的传播过程,其结果与观测结果良好吻合。该数值模拟计算程序可为地震发生后的震源附近区域提供有效的地震波数据,有助于灾后工程结构的安全评估。     

基于滑差同调的风电场动态等值方法

大规模风电场发电机组的等值简化对风电场的研究具有重要意义。提出一种风电场动态等值方法,该方法以滑差变化曲线作为反应风电机组运行点的分群原则,通过提取能够反映风力发电机组滑差动态响应情况的指标,进行风电场机组的动态分群;对滑差同调的机组参数加权平均,得到同调机群的等值模型,进而将风电场等效为几台等值机模型;最后,利用Matlab/Simulink仿真平台搭建风电场的详细模型和等值模型,并进行仿真分析,分别验证分群指标的有效性和风电场等值模型的准确性。     

基于层次分析法的海上风电机组部件重要度评估

以某海上风电机组为例,给出了确定机组部件重要度的评价指标,结合海上风电机组的结构以及专家的判断,将定性指标与定量指标相结合,利用层次分析法确定了海上风电机组的部件重要度排序.算例分析中,运用所述方法对某海上风电场的机组进行分析,得出了该机组部件的重要度排序.     

风雨下考虑偏航效应风力机流场及气动载荷

为了研究狂风暴雨环境中大型风力机在复杂工况下的流场特性和气动性能,以南京航空航天大学自主研发的5 MW风力机塔架-叶片体系为例,采用计算流体动力学（CFD）技术开展最不利叶片停机位置下考虑6个偏航角（0°、5°、10°、20°、30°和45°）影响的风力机风场模拟,添加离散相模型（DPM）开展风-雨耦合同步迭代计算,对比研究不同偏航角对风力机周围风场和雨场特性的影响规律. 建立不同偏航角下的风-雨等效压力系数新模型,给出相应的公式,针对风雨作用下的不同偏航角工况塔架和叶片表面等效压力系数进行系统分析. 研究结果表明,附加雨荷载效应对该类风力机叶片迎风面和塔架迎风面两侧各40°区域内压力的影响不容忽视.     

基于风-网互补供电试验的风力机模拟研究

以抽油机离网风电-网电互补供电试验系统中的风力机为研究对象,根据风力机的运行特性,运用相似理论得到了模型试验中与风力机相似应满足的条件.计算了与某实际风力机在对应工况下相似的模型风力机的相关参数.在此基础上,建立一个由变频器拖动电机组成的试验模型来模拟风力机的运行,保证了试验模型具有实际意义.