基于精确桩土模型的桁架式大型海上风力机地震动力学响应分析

为更精确研究桁架式大型海上风力机在地震载荷作用下的结构动力学响应,建立桩土模型,描述土体物理性质与桩-土间的相互作用,以桁架式支撑结构的美国可再生能源实验室(NREL)5 MW海上风力机为研究对象,建立有限元模型并分析在湍流风与地震联合作用下的动力学响应.结果 表明:相较于湍流风,地震作用对桁架式海上风力机动力学响应的...     

大型海上风力机地震冲击角动力学响应分析

为研究海上风力机在不同地震冲击角下的动力学响应,基于p-y曲线法构建土-构耦合模型,基于DTU 10 MW 单桩式近海风力机建立有限元模型,研究地震冲击角变化对大型海上风力机地震动力学响应的影响。结果表明：0°和90°地震冲击角下风力机结构受载荷响应最剧烈;当地震冲击角为锐角时,塔顶前后向和侧向位移幅值均下降,总应变能集聚现象显著缓解;地震冲击角为15°和30°时风力机等效应力均值相对其他角度有明显下降。因此,主动调整风力机叶轮朝向以调整地震冲击角可能成为风力机受地震冲击后降低损害的有效控制方式。     

地震载荷对15 MW海上风力机动态响应的影响

为研究地震载荷对15 MW海上风力机动态响应的影响,基于模态加速度法计算了15 MW海上风力机在风-浪-震耦合工况下的支撑结构载荷、塔顶加速度和气动性能,并与无地震工况下的计算结果进行比较.结果 表明:地震载荷对侧向剪切力和横摇弯矩影响显著,而纵向剪切力及俯仰弯矩主要受到湍流风作用;地震发生后塔顶最大加速度增幅可达44...     

基于粘滞阻尼器的单桩式海上风力机结构振动控制

为探究湍流风与地震联合作用下单桩式海上风力机的结构动力学响应与振动控制,以单桩式NREL5 MW海上风力机为研究对象,采用有限元法建立三维壳模型并基于二次开发将体等效线性模型集成于ABAQUS中,通过附加粘滞阻尼器对地震诱导风力机振动进行控制.结果表明:粘滞阻尼器能够大幅降低地震导致的风力机塔顶振动,但对湍流风引起的塔...     

砂土中桩靴插桩对临近筒型基础的影响研究

通过物理模型试验和有限元法研究砂土中风电安装船桩靴插桩对临近筒型基础的影响。首先通过物理模型试验,验证有限元模型的合理性,初步确定桩靴在砂土中贯入的影响范围大致在2.5倍桩靴直径。基于有限元CEL方法进一步研究桩靴和筒型基础的净距与桩靴直径之比（S/D）对筒型基础在位稳定性的影响。结果表明：筒型基础的倾斜率、最大竖向位移以及筒壁应力随着S/D的增大而逐渐减小,插桩过程中,靠近桩靴一侧的筒裙和分舱板应力远大于远离桩靴一侧的筒型基础应力,且筒顶的土压力远小于筒底土压力。     

遗留桩坑对临近复合筒型基础倾斜率的影响

针对某海上风电项目,基于ABAQUS三维数值软件定量分析桩坑与复合筒型基础的距离、桩坑尺寸及深度等参数变化对复合筒型基础结构泥面倾斜率的影响,引入可反映桩坑充盈固结程度的系数γ与切线斜率K。结果表明：随着桩坑尺寸增加,复合筒型基础泥面倾斜率呈非线性增长,且均向桩坑所在方向倾斜;桩坑深度大于复合筒型基础入土深度时,基础倾斜率增长较快;研究表明筒型基础泥面倾斜率对大深度、近距离桩坑内部土体强度尤为敏感,拟通过该文研究为复合筒型基础风电机组安装船舶选型及布置提供理论依据。     

海上风电单柱复合筒型基础沉放过程分析

单柱复合筒型基础是中国国内自主研发的新型海上风电基础结构型式,以海上风电单柱复合筒型基础为研究对象,通过现场原型试验的方法,对首批海上风电单柱复合筒型基础的沉放过程进行分析,并提供现场施工监测数据。研究结果表明：单柱复合筒型基础可实现吸力安装下沉,且在调平上具有极强的可控性,可为筒型基础今后的施工及沉放研究提供重要的参考数据。     

海上风力机多场平台构建及地震动力学研究

为研究大型海上风力机在地震、湍流风、波浪及海流等复杂环境载荷作用下的动力学响应,建立了考虑多环境载荷和土-构耦合效应的精细支撑结构有限元模型,并基于模态法验证了有限元模型的精度和考虑土-构耦合效应的必要性,同时研究了大型风力机的结构响应。结果表明：结构的动力特性受土-构耦合效应影响显著;在地震载荷作用下,结构多个自由度响应激增;由于湍流风、波浪及海流载荷作用,导致支撑结构受外载荷形成阻尼效应影响更为显著;在研究地震动力学响应时,湍流风载荷、浪流载荷不可忽略。     

海上风力发电复合筒型基础拖航稳性研究

  目的  海上风力发电复合筒型基础作为一步式运输安装技术的基础,已经广泛用于海上风电的发展。文章主要研究内容为保证复合筒型基础在施工过程中的稳定性。  方法  通过一步式运输安装船运输现场实验,对江苏响水25#风电整机施工过程中塔筒、叶片吊装以及拖航过程进行实时监测。  结果  结果显示,塔筒、叶片吊装过程中复合筒型基础倾角较小;拖航过程中船筒间相互作用力、横纵摇角以及筒内液封高度均满足要求。  结论  表明塔筒、叶片吊装过程中,复合筒型基础具有良好的稳定性;拖航过程中,运输船与复合筒型基础紧密贴合,能保证运输过程中整体结构的稳定;并且复合筒型基础在拖航过程中能够提供稳定的浮力。     

海上风力机的数值模拟

针对海上风力机运行的特点,根据NRELS809翼型数据,建立了水平轴风力机的整体模型。采用空气和水的两相流模型模拟海上工况,对模型进行数值计算,得到叶片绕流的速度分布和压力分布,并对两相流和单相流的变化情况进行了对比,最后对塔架的压力分布进行计算说明。研究结果表明:在两相流工况下,风轮叶片具有较高的功率系数,但该工况对叶片的强度、材料要求较高;气流流过叶片后均存在速度亏损,并在1倍风轮半径处趋于稳定;风轮对塔架的压力分布产生一定影响。     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

不同水深海上风力机塔架地震动力响应研究

开发了风力机地震仿真平台SAF(Seismic Analysis Framework),以DTU 10 MW海上风力机为研究对象,建立其地震激励下的动力仿真模型,分析4种水深(20～50 m)时20组不同强度地震、额定风速湍流风与波浪流联合作用下风力机塔架动力响应。研究表明:地震作用对横向塔顶位移及横向平面内的塔基弯矩影响较大,来流方向塔顶位移及来流平面内的塔基弯矩主要受湍流风影响;在存在地震激励时,塔架不同高度处位移、剪切力及弯矩响应均大于湍流风与波浪流作用时;地震强度较弱时,不同水深处风力机塔顶位移与弯矩差距较小,但塔基弯矩随着水深的增大而增大;地震强度较大时,水深对风力机塔顶位移与塔基弯矩影响很大,相同地震强度的响应深水大于浅水。     

海上风电三筒导管架基础复合加载模式下承载特性分析

为了研究海上风电三筒导管架基础在海洋土中的承载性能,文章对其在复合加载模式下的破坏包络线进行了探究,绘制了两种不同长径比三筒导管架基础的三维承载能力包络面,对比了极限工况下两种基础法兰及导管架处的倾斜率。结果表明：一定范围内的竖向荷载提高了基础的水平及弯矩极限承载力;三吸力筒式导管架基础的承载性能要略优于三吸力桩式导管架基础,且两者在不同荷载作用下的承载模式略有不同。总体而言,基础直径较大、筒高较小的三吸力筒导管架基础的承载性能要更强。     

海上风电厚壁筒型基础刃脚优化试验及下沉阻力研究

通过在筒裙端部加装刃脚进行减阻,并通过试验寻找最优的刃脚体型,同时利用任意拉格朗日欧拉方法（ALE）进行筒型基础下沉全过程数值模拟。结果表明：在厚壁筒型基础端部加装刃脚可有效减小端阻力,在砂土中下沉时,最优的刃脚体型为60°夹角,通过试验对比,证明理论公式计算端部压力的可行性;ALE数值方法可模拟试验模型下沉过程,误差在20%以内。最后,利用ALE数值模拟,分析刃脚端面和斜面应力分布,并且研究土质参数对刃脚结构下沉阻力的影响。     

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。     

单侧冲刷对海上风电筒型基础稳定性影响研究

海上风电筒型基础在位工作期间长期受到海流的冲刷,基础的稳定性受到一定影响.通过模型试验和数值方法研究粉土地基中,单侧冲刷工况单筒多舱筒型基础的水平向和抗倾覆极限承载力与冲刷率之间的关系,以及冲刷对基础水平向-倾覆荷载(H-M)复合承载特性的影响.研究结果表明,筒型基础的水平向和抗倾覆承载力主要由筒外前侧和筒内土体提供,...     

新型铰接式海上风力机动力响应分析

文章针对75 m水深,开发了一种新型铰接式基础海上风力机,考虑到风浪流的联合作用,分析了其在发电海况和极限海况下的动力响应。基于叶素动量理论计算了风力机叶片气动载荷;基于经验公式计算了塔架风压载荷;基于三维势流理论计算了铰接式基础的水动力特性;考虑基础运动及波高引起的瞬时湿表面的变化及铰接点的结构阻尼,同时考虑海流力,编写程序计算风力机的时域动力响应特性。计算结果表明,铰接式海上风力机具有良好的运动性能,满足发电海况下正常发电的需求以及极限海况下结构自存的安全要求。     

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。     

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。     

基于土-结构耦合作用的风力机塔架地震动力学响应分析

风力机塔架在地震激励下的动力学响应研究对保证风力机安全运行具有重要意义。基于有限元软件ANSYS和Wolf土-构耦合理论对Vestas1.65 MW风力机建立较高精度有限元模型,对是否考虑土-结构耦合(Soil-Structure Interaction,SSI)效应两种条件下进行瞬态动力学分析。选用摩根希尔(Morgan Hill)地震运动,土体选用软土物性参数。结果表明:考虑SSI效应会降低风力机塔架自振频率,塔架在地震激励下的塔顶位移响应、塔顶加速度响应、塔架Mises等效应力响应和塔架剪应力响应频率有较明显下降,塔顶加速度峰值减小6.7%,塔基承受剪应力增加73.5 MPa,增幅98.9%。因此,研究风力机结构抗震设计应考虑SSI效应。