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。     

海冰作用下近海桩柱式风力机动力学响应研究

高纬度低温海域海平面存在大量运动状态的海冰,位于此处的近海桩柱式风力机容易受到不规则的海冰载荷作用,风力机平台、塔架和叶片等结构部件的动力学响应均受其影响.为定性及定量分析海冰载荷对叶片和塔架的结构动力学响应的影响程度,以NREL5 MW近海4桩柱式风力机为研究对象,耦合风载荷、波浪载荷及海冰载荷,通过Kane方法建立风力机动力学模型,其中海冰载荷通过冰力函数定义.对比分析了在IEC Lock in冰力函数、Mttnen海冰模型和无海冰作用三种工况下叶片和塔架的结构动力学响应,结果表明:海冰载荷使塔顶位移增加,在Mttnen海冰模型作用下塔顶位移增加了24.1%,在IEC Lock in模型作用下则增加了16%;两种海冰模型均不同程度地使叶片挥舞振动的频率增大,其中在Mttnen海冰模型中变化更加剧烈,这极大地增加了叶片的疲劳载荷.     

风浪异向下大型风力机动力学响应及非线性特征研究

为探究风、浪不同入射角对风力机塔架动力学响应及其混沌特性影响,以DTU 10 MW近海单桩式风力机为研究对象,采用相图法及最大Lyapunov指数对风、浪异向下风力机塔架振动信号展开混沌特征分析。结果表明：塔顶前后向位移几乎不随波浪入射角改变而变化,塔顶侧向位移受波浪入射角影响较大;塔架弯矩随塔架高度增加而逐渐减小,且受波浪入射角影响较大;随着风速增大,塔顶侧向加速度波动剧烈程度逐渐降低,不同海况塔架前后向加速度波动差异较小;随着波浪入射角变化,各海况加速度最大Lyapunov指数均大于零,混沌特征明显。尤以湍流风速11.4 m/s、有义波高3.5 m时,在风波夹角为60°与210°时塔顶前后向及侧向加速度的最大Lyapunov指数最大,此时风力机塔顶稳定性较差。     

基于混沌理论的地震诱导近海风力机动力响应研究

为探究极端环境下地震诱导大型单桩式近海风力机的非线性结构动力特性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,构建地震-湍流风-波浪多物理场模型,研究其动力响应特性,根据混沌理论,采用相空间重构法和最大Lyapunov指数法,从定性和定量角度分析了单桩式近海风力机动力响应的混沌特性.结果 表明:地震与环境载荷联合作用下,塔底...     

地震强度对小型风力机动力学响应影响研究

为研究地震强度与小型风力机塔架动力学响应之间的关系,以AOC 50 kW风力机为研究对象,采用Wolf理论建立土-构耦合模型,基于FAST(多体动力学仿真软件)预留数据接口,开发地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震实时耦合的动力学仿真模型。通过比例缩放ASCE(美国土木工程师协会)标准地震反应谱,得到了20种不同强度的PSA(设计加速度),从而计算不同地震与湍流风联合作用下的风力机结构动力学响应。结果表明:PSA为0.6 g(g为9.806 65 m/s~2)时,塔基弯矩增大133.3%,但地震强度对塔顶弯矩影响较小。随着地震强度的增大,塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性,塔架不同高度处的最大剪切力与高度之间的关系维持线性。此外,在地震载荷与风载荷共同作用下,IEC(国际电工委员会)和AWEA/ASCE(美国风能协会/美国土木工程师协会)载荷预估模型结果偏大。本文提出了一种新的高精度预估模型,可为小型风力机地震载荷预估和预防地震风险提供一定的参考。     

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...     

不同桩-土耦合效应对风浪联合作用下风力机动力学响应及结构损伤影响分析

以近海DTU 10 MW大型单桩式风力机为研究对象,利用Kaimal风谱模型与P-M谱分别建立湍流风场并定义波浪分布,基于绕射理论计算波浪载荷。选用东海某风电场土壤参数建立桩-土耦合效应模型,对比分析风浪载荷下基于不同桩-土耦合效应的风力机动力学响应、疲劳寿命及稳定性。结果表明：桩-土耦合效应对风浪载荷下风力机动力学响应起阻尼作用,将大幅降低其动力学响应,在抗风浪研究中,桩-土耦合效应不可忽略,否则将过度估计动力学响应;基于线性桩-土耦合效应与非线性桩-土耦合效应的风力机动力学响应、疲劳损伤及1阶屈曲因子相差较小,而较之于非线性桩-土耦合效应,风浪联合作用下多土层桩-土耦合效应风力机动力学响应略剧烈,疲劳寿命及1阶屈曲因子略小。     

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...     

系泊配重对浅水区浮式风力机动力学响应的影响

安装于浅水区域的浮式风力机,需采用配重增强系泊恢复力和平台运动稳定性。为了获取有效的系泊配重设计,文章首先通过AQWA和OpenFAST开发了通用的浮式风力机一体化仿真程序OpenF2A,并基于WindFloat概念进行了重新设计,得到了偏心式平台设计方案;然后计算了风-浪联合作用下5 MW浮式风力机平台运动和系泊张力,定量分析了系泊配重质量的影响。结果表明：在不同风况下,配重对平台运动和系泊张力的影响一致;配重可降低平台纵荡,配重质量越大,纵荡越小;在额定风速下,当配重为65 t时,平台纵荡最大值和平均值分别降低了33.1%和49.1%;配重质量对下风向系泊张力影响较大,可增大系泊张力1倍以上。     

地震及风-浪载荷作用下大型10 MW桁架与单桩风力机响应对比研究

以某10 MW桁架式海上风力机为研究对象,基于p-y曲线和Q-z曲线描述柔性土壤与桩基间的相互作用,构建桁架及单桩风力机的有限元模型,研究2种结构在地震及风-浪载荷作用下的结构动力学响应及承载特性。结果表明：桁架及单桩结构在风-浪载荷作用下,塔顶做偏心往复运动;地震的作用导致单桩结构塔顶侧向扰动偏心更严重,但桁架结构扰动幅度更大且应力卸载更快;桁架结构相较于单桩结构更稳定,但需要对局部承载压力部分进行降载。     

Seismic Centrifuge Modelling of Offshore Wind Turbine with Tripod Foundation

The development of offshore wind energy is fast as it is clean, safe and of high efficiency. The harsh marine environment raises high demand on the foundation design of offshore wind turbine. Earthquake loading is one of the most significant factors which should be considered in the design phase. In this paper, a group of earthquake centrifuge tests were conducted on a physical wind turbine model with tripod foundation. The seismic responses of both wind turbine model and foundation soil were analyzed in terms of the recorded accelerations, pore water pressures, lateral displacements and settlements. The results were also compared with those measured in the previous research on mono-pile foundation. It is demonstrated that the tripod foundation can provide better resistance in the lateral displacement and structural settlement under earthquake loading.     

基于FAST的近海单桩风机地震响应分析

为研究近海单桩风机塔架地震动力响应特性,以FAST v7软件为基础自编程开发地震分析模块,形成风机地震动力学耦合仿真平台S-FAST,并采用ABAQUS和Seismic软件验证其有效性。基于扩充的S-FAST平台,计算NREL 5 MW近海单桩风机塔架在湍流风、非规则波浪和地震作用下的动力响应。结果表明：地震是塔顶振动的控制荷载,风浪荷载可有效抑制塔顶振动;塔基面内弯矩主要由地震荷载引起,风浪荷载主要影响塔基面外弯矩;风浪荷载引起的塔基面外弯矩占风、波浪和地震耦合作用工况的69%;风浪荷载和地震荷载之间存在非线性耦合关系,结构设计时应采用全耦合的方法进行结构响应计算。     

海上风电单桩基础地基加固技术研究

目的  在以“双碳”为目标的能源政策导向下,海上风力发电作为一种新型的能源技术,得到了广泛的应用,并且在中国迅速发展。单桩基础是海上风电中最经济、应用最广泛的基础。为解决单桩基础的变形及冲刷保护问题,提出了一种地基加固技术,并对该加固技术进行研究分析,给出加固方法的依据。 方法  针对桩基地基加固技术进行方法研究论证,通过针对加固技术路线及工艺研究,选取一种适合于海上施工的地基加固技术,并采用数值分析方法针对加固效果及加固影响范围进行详细分析。 结果  结果表明：在1.15倍荷载下,采用地基加固的单桩基础的水平承载力提升15%以上,通过地基加固可以适用于更大容量的机型。本分析案例中,当地基加固深度、水平范围都达到8 m时,加固深度方向范围的土体比加固平面方向范围的土体获得的收益更大。 结论  利用水泥土加固的技术方案经数值分析验证可靠,对单桩承载能力提升显著,且加固范围合理经济,可为后续海上风电实际工程单桩地基加固技术的应用提供借鉴。     

10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

目的  世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。方法  拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。结果  结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。结论  所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

发电机故障时海上风电机组动态特性分析

以海上风电机组为研究对象,建立了风电机组模型,以湍流风和随机波浪作为输入条件,考虑重力载荷、空气动力载荷、惯性力载荷和波浪力载荷的影响,基于FAST软件仿真发电机故障时风电机组的运行过程,并研究了发电机故障时变桨速率对风电机组载荷的影响规律.结果表明:故障对风电机组叶片危害严重,发生故障时受惯性力增大的影响叶根处轴向力发生突变,叶根处受力最大;采用主动控制变桨-顺桨对叶片进行卸载,变桨速率对叶尖位移有重要影响.     

强非线性波作用下海上风机动力特性模型试验研究

目的  单桩式基础是目前近海海上风电场应用最广泛的支撑结构。中国海洋环境多为浅水和中等水深,受到非线性波浪影响较为明显。与行进波相比,聚焦波可以在短时间内形成一个作用在桩柱上、比常规波浪力大的冲击力,从而影响海上风机的运行性能和疲劳寿命。文章旨在探究强非线性波浪作用下海上风机单桩基础荷载特性,掌握聚焦波与基础相互作用规律,为工程设计提供参考。 方法  文章采用水池模型试验的方法对NREL 5 MW单桩海上风机开展研究,缩尺比例为1∶80。结合我国东部沿海风电场的海洋环境条件,选取了三种典型聚焦波模型,通过浪高仪器和测力天平分别记录了不同工况下单桩周围波浪爬高和底部受力变化情况。 结果  结果表明：桩基所受的水平波浪力具有很强的瞬态性;单桩基础所受水平波浪力在聚焦波的作用下会突然增大,在波谷会受到反向冲击力。 结论  文章揭示了聚焦波引起的海上风机单桩基础荷载变化规律,证实了非线性波浪对于风机基础动力特性的重要影响,相关成果具有较高的理论和工程应用价值。     

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。     

湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应

以NREL 5 MW近海风力机为研究对象,基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风,同时采用Matlock模型计算动态冰力,模拟风力机所受冰激振动,研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明:冰激振动极大地加剧塔顶各向振动;频域上,冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率,且相应峰值与冰厚呈正相关关系;受冰激振动作用,塔架各向剪切力明显增加,且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。     

伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震响应影响

为研究伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震动力特性的影响,以DTU 10 MW风力机为原型,建立考虑伺服系统的单桩式近海风力机模型,通过p-y曲线法构建分布式弹簧土-构耦合模型,并基于中国实测地震数据和风力机实际运行环境构建湍流风-波浪-地震伺服系统多物理场计算平台,研究其在不同状态下的动力特性。结果表明：无地震载荷作用时,当平均风速大于额定风速,风力机变桨伺服系统有效缓解了塔顶振动,并减弱了气动载荷对塔基弯矩的影响;地震载荷使风力机塔顶位移明显增加,平均增加71.66%,变桨伺服系统对塔顶位移的作用效果被削弱,使发电机转速发生更剧烈波动;地震及波浪载荷对塔基弯矩的影响很大,风浪震作用较仅湍流风载荷作用下风力机塔基弯矩最大值平均增加131.24%,不能忽略波浪载荷对塔基弯矩的影响。