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。     

漂浮式海上双转子风力机动态响应研究

为研究漂浮式海上双转子风力机的动态响应特性,采用OC3-Hywind Spar漂浮式平台,搭建了漂浮式海上双转子风力机仿真系统。采用自由涡尾迹法(Free Vortex Wake, FVW)和OpenFAST水动力计算模块,建立了漂浮式海上双转子风力机的气动-水动耦合分析模型,并进行了风浪耦合分析与控制仿真。结果表明：主副转子功率波动幅值随风浪夹角变大而逐渐减小;主副转子间流场比陆上双转子风力机更加复杂,多目标变桨控制既可减小功率波动又可缓解副转子的疲劳损伤;风浪夹角在0°和90°的工况下,平台运动响应波动较为明显。     

基于TMD的海上漂浮式风力机稳定性研究

海上漂浮式风力机的稳定性研究已逐渐成为风电研究的重点与热点。以NREL(国家可再生能源实验室)5 MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,建立海上漂浮式风力机整机模型,通过配置TMD(调谐质量阻尼器),研究其对环境载荷作用下的海上漂浮式风力机稳定性的控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔架和平台的运动响应有明显的抑制效果,在TMD控制下,漂浮式风力机塔顶左右位移最大值降低近50%,稳定性提高38%;对漂浮式风力机平台的横摇及横荡运动控制效果较明显,平台横荡稳定性提高18%,横摇稳定性提高41%。     

基于扰动观测的漂浮式海上风力机主动滑模结构控制研究

针对漂浮式海上风力机主动结构控制问题,提出一种基于扰动观测的主动滑模控制方法,并应用风力机仿真工具FAST验证所提方法的有效性。在扰动二阶导数有界的前提下,理论证明观测器的稳定性和估计误差的有界性,从而有效估计匹配扰动和非匹配扰动。理论证明一类积分型滑模面的有限时间收敛性和闭环系统稳定性。基于FAST的仿真表明：所提出的主动调谐质量阻尼器（TMD）控制方法与最优被动TMD相比,主动TMD系统的漂浮平台俯仰角度和塔顶位移的均方根值可分别降低11.88%和13.56%,有效提升了风力机承受风浪载荷的能力。     

海上漂浮式风力机张力腿平台强度振动研究

采用有限元方法,基于Block Lanczos算法和VonMises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST分别研究了平台安装角度对张力腿平台(Tension Leg Platform,TLP)结构应力的影响和振动响应。结果表明:在极端海况下,张力腿平台海上漂浮式风力机受到的载荷及其运动响应主要集中在平台的纵荡、垂荡和纵摇方向,平台在重心初始位置做往复运动;波浪运动和平台耦合运动响应均不会引起平台发生共振作用;当风、波、流以相同入射角作用在风力机系统时,张力腿平台结构等效应力和最大切应力都随入射角的增大而增大;当风和波浪以0°入射角,海流以180°入射角作用时,平台的最大等效应力和最大切应力最小;张力腿平台安装角对平台应力有很大影响。     

柱状漂浮式风力机结构振动控制

针对柱状漂浮式风力机的结构振动控制展开研究.首先为进行调谐质量阻尼器(TMD)参数的优化,对风力机模型进行简化,并对简化模型中的未知参数进行估计;随后,基于简化模型分别使用公式法和遗传算法对TMD参数进行优化,并通过比较塔顶前后位移的标准偏差确定最终的优化方法;最后,为评估TMD对风力机振动控制的影响,构建风力机的联合...     

基于谱分析方法的海上风机支撑结构疲劳寿命分析

用精细化的有限元模型对某典型海上风机支撑结构进行了数值计算,分析了波浪以及风机荷载对海上风机支撑结构疲劳寿命的影响。利用热点应力谱分析的方法,对疲劳分析的关键点进行疲劳寿命评估,并进一步分析了各个短期海况对支撑结构疲劳累积损伤的影响。研究表明,节点的疲劳寿命满足设计要求;波浪离散表中概率较小、波高相对较大的海况,对海上风机支撑结构疲劳寿命影响很大,在计算中应该格外注意;波浪荷载引起的疲劳损伤在结构疲劳设计中不能忽略。     

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。     

漂浮式风力机Spar平台结构动力响应分析

采用有限元方法,基于Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST分别研究了平台动态响应和结构应力。结果表明:螺旋侧板对Spar平台的自振频率没有明显影响;附加螺旋侧板可以有效减小平台在垂荡和纵摇方向的运动响应,但在纵荡方向上没有明显改善;螺旋侧板阻碍了海流的流动,增加了流动阻力,平台结构应力略有增加,且最大切应力约为最大等效应力的二分之一,但平台结构仍是安全的,而最大等效应力是影响平台安全稳定工作的关键。     

海上风机支撑结构疲劳性能试验研究

  目的  针对海上风机支撑结构的疲劳问题,进行了外加强环过渡段结构疲劳性能的试验研究。  方法  采用简化的支撑结构1/5缩尺模型进行了静力与疲劳试验,获得了模型的热点应力和疲劳寿命;并根据DNV的海上风机规范,采用不同类型单元对试验模型进行了有限元分析和疲劳寿命估算,将规范方法的计算结果与试验进行了比较。  结果  结果表明:试验结果和规范方法之间的差异主要源于S-N曲线的选取。  结论  最后根据试验数据,在DNV规范的基础上给出两种改进的疲劳校核方案,可为实际应用提供指导。     

海上漂浮式风力机张力腿平台静动力特性分析

基于Von-Mises失效理论,利用Ansys有限元软件研究了张力腿平台结构强度和振动模态.结果表明:平台立柱迎风、背风侧分别发生拉伸、压缩变形,并在立柱与延伸腿交接面以上部分,随着高度增加,平台变形增大;立柱与x轴方向延伸腿交接处和平台顶端为平台危险区域;由于平台结构的对称性及低阶模态的危险性,为防止平台发生共振响应,应特别关注第1和第3阶模态特性;风轮转动和波浪运动均不会引起平台共振.     

2种海上风力机漂浮式风电场平台动态响应对比

为研究不同海上风力机漂浮式风电场平台风浪流联合作用下动态响应,分别建立基于OC3-Hywind Spar与ITI Energy Barge平台漂浮式风力机的2×2阵列漂浮式风电场,结合辐射/绕射理论与有限元方法,使用海洋工程软件AQWA及风力机仿真软件FAST分别进行水动力学与气动载荷计算,分析2种漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明：Spar与Barge平台频域响应均集中在2.00 rad/s以下低频区域,在2种风电场中,Spar风电场各平台在垂荡、纵摇、横摇、艏摇4自由度及机舱振动加速度上稳定性较好;风电场中平台横荡、纵荡及机舱振动加速度大小与其在风电场中所处位置有关。     

海上大功率风力机固定式支撑结构方案比较分析

基于大功率的海上风力机(OWTs)的动力特性约束,优化确定不同水深范围内柔性、刚柔性及刚性设计方案下3种典型固定式海上风电支撑——单立柱、单立柱三桩和导管架式结构主尺度;进一步分析动力特性可行结构方案相应外环境激励及抗力特征不确定分布下结构强度、刚度性能的可靠度指标。研究结果表明:大功率风力机固定式支撑结构水深拓展到100 m,导管架支撑刚柔性设计为经济可行方案,相应方案的单立柱及单立柱三桩存在过大位移及应力。该方法可用于海上风电支撑结构选型和方案决策。     

漂浮式风力机结构动力响应MIGA算法优化设计

以ITI Barge平台漂浮式风力机为研究对象,借鉴传统土木工程领域结构控制经验,提出漂浮式风力机MTMD结构控制方法,基于Kane方法建立漂浮式风力机多体动力学模型,研究并对比了风波流作用下有无MTMD时风力机的结构动力学响应特性,并进一步基于多岛遗传算法对MTMD系统进行优化。结果表明:MTMD控制效果较好;所提出优化算法获得的优化参数具有更加明显的控制效果,塔顶侧向位移与平台横摇运动均得到了明显的抑制。不同环境工况下,MTMD都对漂浮式风力机有着明显的控制效果。其中纵向载荷标准差抑制率为78%~83%,横向载荷标准差抑制率为14%~18%。     

海上漂浮式风力机Spar平台系泊型式及动态响应研究

平台的稳定性是海上漂浮式风力机安全运行的基本保障。研究两种新型系泊型式对海上漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响及系泊的安全性。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL(美国国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的波浪载荷及平台与系泊系统的耦合。首先,验证水动力学模型的可靠性,然后分析平台在不同风浪下的时域动态响应,并评估其生存能力。结果表明:两种新型系泊型式均能大幅减小纵荡响应,对纵摇响应影响很小;型式Ⅰ对纵荡响应的抑制小于型式Ⅱ,且二者对纵荡的抑制作用随系泊间夹角的增加而减小;型式Ⅲ-30°系泊在完整状态下的安全系数大于1.67,破损状态下大于1.33,均满足设计要求。     

极端海况下海上漂浮式风力机张力腿平台强度分析

采用有限元方法,基于Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST分别研究了极端海况下风、波、流载荷作用方向相同且为0°、15°、30°、45°和风、波载荷作用方向相同且为0°,海流载荷为15°至180°每15°递增时的平台结构应力。结果表明:最大等效应力是保证平台安全稳定运行的关键且底部圆板上与延伸腿和中央立柱的交接处位置为平台危险区域;风、波、流载荷作用方向对平台应力影响极大,应根据当地海况选择合适的平台安装角度;风、波、流载荷均沿45°方向作用于整机时,平台最大等效应力最大;风、波载荷沿0°方向,海流载荷沿180°方向作用于整机时,平台应力最小。     

风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析

该文对大型风力机玻璃钢叶片疲劳寿命的工程估算方法进行了研究。运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布；根据有限元模态叠加法，计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动态应力响应；介绍了玻璃钢材料的疲劳破坏过程、破坏准则，探讨了玻璃钢材料疲劳性能及疲劳寿命估计方法；最后，运用Palmgren Miner的线性疲劳损伤累积法则提出了一种玻璃钢叶片安全寿命估计方法。通过所设计的1．5兆瓦变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明，本文提出的玻璃钢叶片疲劳寿命估计方法是可靠和实用的。     

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。     

不同入射角风波流海上漂浮式风力机频域与时域动态特性

采用边界元并结合多体动力学方法分析了张力腿平台(TLP)漂浮式风力机结构,研究了平台结构在不同方向上的频域与时域运动响应变化,并比较了漂浮式平台在海洋环境条件下风波流联合作用时和波浪载荷独立作用时的运动响应,得到了平台结构在时域中的动力响应.研究结果表明:漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP的作用力不能忽略;风波流联合作用时的运动响应标准差大于波浪载荷独立作用时的运动响应标准差,且平台偏离平衡位置的程度更加剧烈;平均运动响应及标准差在入射角分别为0°、22.5°和45°时相差微小.研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值.     

基于不同结构的漂浮式风力机Spar平台静动力学性能研究

为研究不同结构漂浮式风力机平台的静动力学响应,基于UG参数化建模的二次开发,建立了OC3-Hywind-Spar平台三维实体模型,采用有限元方法对所建模型进行模态分析,对比各模型固有频率、最大位移量以及最大应力分布情况,并进一步分析其谐响应规律。研究表明:平台的固有频率远离平台服役时所受载荷的对应频率,不会发生共振;平台附加环向筋与纵骨可以有效地降低平台在其各阶振型中的位移量与应力;附加环向筋与纵骨的平台可更好地避免共振发生,其发生较大共振的频率约0.8 Hz,响应值远小于其它结构平台,表明了附加环向筋与纵骨对平台安全性与稳定性有较大提升。