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。     

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。     

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。     

风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接疲劳性能研究

提出一种矩形钢管混凝土束风力机塔筒结构，并对该塔筒结构双盖板穿芯螺栓连接节点进行高周疲劳试验和有限元分析，得到节点的疲劳破坏模式和疲劳寿命。结果表明：矩形钢管混凝土束风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接节点疲劳破坏模式为高强螺栓受剪破坏，破坏集中在钢板连接处。螺栓在钢砼连接面和螺帽处产生疲劳裂纹，在剪切疲劳作用下，穿芯螺栓断裂为3段。有限元分析表明，螺栓规格对试件疲劳性能影响较大，增加螺栓直径，能提高节点的疲劳寿命，但疲劳极限值会减小；盖板厚度对疲劳性能影响不明显。     

风电机组基础混凝土承台的极限强度有限元分析

本文借助通用有限元计算结构软件,建立东海大桥海上风电场单机容量为3.6MW机组基础的三维有限元模型,计算得到极限风荷载作用下混凝土承台的应力和裂缝分布情况,并对承台应力和裂缝计算结果进行分析,为基础承台配筋提供建议。     

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。     

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。     

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。     

长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC^3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y(土体抗力-桩基水平位移)曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。     

摩擦阻尼器对海上风力机塔架抗震性能研究

为分析摩擦阻尼器对近海单桩风力机结构抗震性能的影响,以单桩式NREL 5MW海上风力机为研究对象,基于有限元理论,建立三维多物理场模型,对多组实测地震下摩擦阻尼器在近海风力机结构抗震中的应用效果展开研究。结果表明：摩擦阻尼器对风力机塔顶振动具有显著控制效果,伪谱加速度最大时可使塔顶位移降低54.79%,但进入滑移状态后其无法复位的特性会导致风力机塔顶位移平均值无法恢复到震前状态;摩擦阻尼器可有效缓解因地震激励造成的塔壁应力集聚现象,Mises应力最大值降低17.96%;摩擦阻尼器对强伪谱加速度（PSA）地震导致的风力机塔顶位移及海床处弯矩控制效果更佳,而对弱PSA地震导致的结构响应控制效果则较为一般。     

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%。     

CFRP锚索型风电结构抗台风性能研究

提出在风力机塔筒上加设碳纤维增强塑料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)拉索和相应的锚固体系形成CFRP锚索型风电结构。基于不随高度变化的台风功率谱和自回归(AR)法模拟并验证沿海某风电场的台风风场。建立风力机-拉索-基础有限元模型,进行模态分析和台风作用下的非线性动力时程分析。结果表明,锚索型风电结构的各阶自振频率较常规型风电结构有所增加,其中一、二阶频率增加约20%。其轮毂水平位移、塔筒底部等效应力、基础环等效应力和最不利单桩轴力均比常规型风电结构显著减小,拉索内力也留有足够的设计裕度。锚固体系估算成本仅占单体风力机建设成本的1.875%。     

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。     

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。     

半预制半现浇混凝土风机基础的受力分析

以某半预制半现浇混凝土风机基础为研究对象,在其受压区和受拉区各选取一个关键节点进行ANSYS数值模拟,分析其受力情况,以此确定基础受力薄弱部位及预制肋梁和现浇混凝土的协同受力情况,为基础设计优化和合理配筋提供依据。研究结果表明:肋梁和中心台柱的结合部位以及肋梁与底板的结合部位是受力薄弱点;中心台柱承担大部分的荷载作用,尤其是与高强灌浆层和下锚板接触的部位,拉应力和压应力超过了设计要求;高强灌浆层的抗拉能力不足,锚栓、锚板以及塔筒底法兰所承受的应力均满足设计要求。     

海上三桩风机基础简化及荷载响应对比分析

三桩基础(Tripile Foundation)是一种新型的海上风机支撑结构,广泛适用于地质相对复杂、水位较深的风场。文章理论分析了海上风机基础桩—土相互作用简化方法,运用ANSYS建立3维有限元模型,考虑不同种地基约束简化方法,对单机3 MW三桩基础在不同方向极限荷载作用下进行数值分析。结果表明:三根桩非平均承担结构荷载,不同方向荷载作用结构响应呈规律性变化,荷载为0°方向时结构位移最大,荷载为20~30°方向时结构应力最大。实际工程计算时,需运用不同简化模型进行对比校核,重点考虑基础单桩主受拉、单桩主受压及20~30°荷载方向。     

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影响更加剧烈;地震导致塔顶位移显著增大;桁架结构与塔架的连接处存在Mises应力积聚,且在地震影响下其更为严重;地震对桩基的运动状态产生显著影响,位移最大值出现在桩底。     

筒型基础预应力过渡段结构传力特性研究

复合筒型基础是目前应用于海上风电工程中的一种新型基础型式,过渡段结构作为一种连接筒基和塔筒的结构形式在整个基础结构的传力体系中起到关键作用。基于大型有限元软件ABAQUS,建立2种典型的过渡段结构型式,具体分析不同过渡段结构在单调荷载及复合荷载作用下过渡段结构的应力响应及传力特性。计算结果表明:单调水平或竖向荷载作用下,带分舱板的钢筒直线型过渡段模型受力均匀,过渡段结构表现出更好的综合传力特性;单调弯矩荷载作用下,带分舱板的钢筒弧线型过渡段模型受力均匀,过渡段结构表现出更好的综合传力特性;复合荷载作用下,带分舱板的钢筒弧线型过渡段模型受力性能最好,过渡段结构的传力性能最优。     

宁德霞浦某海上风电场基础选型研究

针对宁德霞浦某海上风电场场址的自然条件,开展基础结构选型研究.通过分析目标场址地质条件和风机荷载等前期输入条件,初步得到常见基础型式中较优型式,采用有限元模拟方法对比分析较优型式中桩基抗压承载力、桩基抗拔承载力、塔筒底部水平位移、塔筒底倾斜率、沉降等重要指标,综合考虑施工可操作性、适用性、经济性等关键因素得到高桩承台基...     

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。