三桩基础海上风机整体结构的共振分析

该文对三桩基础的海上风力发电整体结构进行了共振分析。通过有限元软件ANSYS,建立了海上风机整体结构的有限元模型,进行了模态分析,得到了前十阶的自振频率和固有振型。然后分析了引起结构振动的主要振源,计算了这些振源的振动频率,将其与海上风机整体结构的自振频率进行了共振分析。结果表明各种主要振源不会引起海上风机整体结构的共振。     

单桩基础型近海风机系统自振频率实用计算方法

"软-刚"（soft-stiff）设计的系统频率限制是海上风电结构与基础设计的关键性难点之一。该文基于有阻尼系统运动方程,考虑桩土相互作用和风机塔筒的变截面特性,建立了单桩基础型近海风机系统自振频率求解数值计算方法。利用实际工程进行了方法应用和有效性验证。频率偏移因素分析表明,地基土模量非均一对系统自振频率影响较小;系统自振频率对地基弹性模量、海床高度变化、桩径的敏感性较强,对地基土阻尼的敏感性较弱。同时,该文方法可以精确分析海上风机在服役期间的系统自振频率的偏移,为近海风机的结构和基础设计提出有效评估,并建议减小频率偏移的工程措施。     

大型风力机塔架固有频率分析

以2 MW水平轴风力发电机组为研究对象,基于有限元分析对风机整体结构进行数值仿真。主要研究地基土刚度、塔顶质量、混凝土基础、塔筒门洞、塔筒休息平台对风机整体结构固有频率的影响规律。仿真结果显示:风机整体结构固有频率随塔顶质量的增大而呈现减小趋势,风机叶片、轮毂和机舱设计可适当选择轻质量的材料;整体结构固有频率随地基土刚度的增加而快速增加,但增加到一定数值时这种趋势逐渐减小;塔筒底部简化为刚性约束将导致分析结果误差较大。     

单桩基础海上风机横向自振频率求解及参数敏感性分析EI北大核心CSCD

梁理论的合理选择对风机横向自振频率的求解意义重大。以往提出的海上风机自振频率计算方法都基于某一种梁理论,且缺乏各参数的敏感性分析。为了对比不同梁理论对风机自振频率求解的影响,采用回传射线矩阵法,分别基于Bernoulli-Euler梁、经典Timoshenko梁和修正Timoshenko梁理论,提出海上风机横向自振频率计算方法,通过实测数据验证了该方法的准确性,并综合对比各参数的敏感性。研究结果表明:Bernoulli-Euler梁理论未考虑剪切变形与转动惯量,自振频率计算结果略大于Timoshenko梁理论;剪切变形引起的转动惯量可以忽略不计,修正Timoshenko梁理论与经典Timoshenko梁理论计算结果一致,但物理意义更加清晰;基频对塔筒结构参数的敏感性最高,其次是连接段与桩基;基频对塔筒高度的敏感性最高,对海床高度与叶轮机舱组件质量的敏感性较高,壁厚变化对基频的影响不显著。     

长周期地面运动和SSI效应对风机动力响应的影响

针对建设在软土地基上的大功率风机结构,需要同时考虑长周期地面运动和土-结构相互作用(SSI)的影响。为了全面研究长周期地面运动和SSI效应对风机塔筒结构动力响应的影响,首先基于某1.25 MW变桨距风机结构建立了包含叶片、机舱、塔筒和基础的结构整体有限元模型,并进行了模态分析。其次在世界地震记录数据库中选择了1条普通波(EI-Cento波)和2条长周期波(HKD054波和CDAO波),并对两种波的时频特性进行对比分析,同时建立了考虑与不考虑SSI效应的对比模型。最后利用ANSYS软件并采用时程分析法对考虑与不考虑SSI效应的风机结构在两类地震波作用下的地震响应进行对比分析,并对叶片与塔筒的碰撞问题、门洞区域的应力集中、机舱内主轴在剪力作用下的破坏以及基础的失效问题进行了进一步的研究。结果表明:长周期地震作用下的风机结构位移、加速度、应力和内力响应值均大于普通波作用下的结果,在此基础上某些响应甚至会被SSI效应进一步放大。因此在风机结构的抗震设计中需要考虑长周期地震作用和SSI响应的影响,特别是在软土地基区域。另外,塔筒与门框连接区域、机舱内主轴和基础等薄弱区域需要适当加强。     

一种新型风电塔架结构用双向TMD风致响应减振控制研究

为了减小风荷载作用下风电结构动力响应,提出一种双向调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)并对其减振效果展开研究。采用Davenport脉动风功率谱,模拟陆上风电场的脉动风速。建立顶部集中质量有限元模型和考虑风电结构叶片与塔筒耦合的叶片-塔筒有限元模型,计算两种模型的自振特性,并对安装双向TMD的风电结构的响应进行分析。分析结果表明:该装置具有较好减振效果;在两种不同计算模型下,风电结构塔筒顶部位移、加速度和底部弯矩计算结果及控制效果一致;在叶片-塔筒模型中,由于叶片-塔筒模型中叶素力与轮毂中存在偏心,使得叶片-塔筒模型顶部弯矩相比集中质量模型顶部弯矩较大。     

长期水平荷载对单桩式海上风机结构自振频率的影响分析EI北大核心CSCD

海上风机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,从而引起地基刚度变化,海上风机结构体系属于动力敏感型结构,预测其自振频率的长期变化具有非常重要的工程意义。基于动力运动方程,考虑了桩土相互作用,通过嵌入地基刚度衰减模型考虑长期循环荷载引起的地基刚度变化,建立了单桩式海上风机结构自振频率的简化计算方法,利用实际工程和数值模拟验证了方法的可行性。最后通过开展参数分析,探讨长期循环荷载大小、加载次数对海上风机结构自振频率的影响规律;结果表明,循环荷载的增大、加载次数的增加会导致海上风机结构体系自振频率较小,风机结构体系的自振频率应偏移1P;该方法可以评估长期循环荷载下单桩式海上风机结构自振频率的变化,为近海风机结构自振频率的设计提供参考。     

海上风电场基础形式及配套施工技术

根据不同的水深及地质条件,结合已建成的海上风电场基础形式及施工方法,介绍和研究了重力式、单桩、群桩、设置沉箱、沉井及吸力式筒形基础等几种形式。对不同的基础形式,分别提出了自升式平台、浅吃水半潜驳、打桩船及整体浮运吊装等相应的基础施工方法。根据风机机组类型,对塔筒和风机的安装也做了介绍。     

全潜式浮式风机基础在不同风况下的动力特性研究

综合半潜式、Spar式、张力腿式浮式风机基础的特点,提出一种新型全潜式浮式风机基础,并采用FAST软件耦合水动力-空气动力-控制系统-系泊系统对不同风况下的浮式风机及全潜式浮式基础的动力特性进行分析。分析结果表明全潜式浮式风机塔筒的自振频率及基础六自由度的自振频率能够较好的避开常见海浪的频率及风机运行频率1P、3P等。全潜式浮式风机在不同风况下具有较好的运动特性,全潜式浮式风机基础在不同风况下的横荡、垂荡、纵摇与风机在不同风速下受到的推力相关。     

风力发电机塔筒晃动位移监测新方法

海上单桩基础风机塔的晃动位移是其安全监测与评估的重要参量,但是目前还没有较成熟的精确自动化监测方法。为此提出一种新的监测方法,首先基于动态高精度倾角仪测挠法得出其0～0.2 Hz范围内的准静态挠度曲线,然后利用低频振动位移传感器直接测量出其0.2 Hz～10 Hz范围内的周期性振动位移信号,最后把两种信号同步叠加成为塔筒观测高程的晃动位移时程曲线。模型测试实验表明此方法的测量精度可达到毫米级别。基于实测数据,对2 座单桩风机塔筒在机仓对风向偏航时的晃动位移特性、台风作用下的晃动位移特性、正常工作及停机状态时晃动位移特性进行了详细的分析。分析结果表明：此方法可精确测量和分析出此类型塔筒的晃动位移频谱特性、幅值特性。     

基础存在裂缝的风机塔振动测试与分析

风机塔混凝土基础常存在开裂、不均匀沉降现象,严重时会导致塔筒倒塌。相比不均匀沉降,开裂程度特别是非表层的开裂难以直接测量,也难以准确评估其影响。对基础存在裂缝的风机塔开展振动测试与分析:首先选择一座基础出现开裂的风机塔和一座作为参考的同类型同场地的风机塔,同时开展振动测试;然后分析两座风机塔的振动特性;最后通过对比固有频率、振动强度等振动特性,发现相同测试工况下基础出现裂缝的风机塔的振动特性相比作为参考的风机塔,前三阶固有频率值虽然相差不大,但是其第3阶和第1阶的FFT幅值比远大于作为参考的风机塔;其加速度最大值在微风时与作为参考的风机塔相差不大,但是在风力较大或机舱偏航冲击工况下明显大于作为参考的风机塔。测试结果表明:塔筒加速度振动强度对基础裂缝比较敏感,而固有频率值不敏感,但是其高阶的FFT幅值对基础裂缝比较敏感。测试结果可为基于风机塔振动特性的变化快速评估基础裂缝的严重程度及分析此类型故障对风机塔运营安全的影响提供一定的参考。     

风机塔架PS-TMD被动控制装置机理分析及参数调谐优化研究

随着风电机组向大兆瓦方向发展,风机塔架的高、柔特性愈发突出,在风、浪及地震等运营荷载下塔架结构的振动问题日益显著。针对风机载荷复杂、共振频带较宽的问题,结合风机塔筒结构的特殊构造和振动特点,提出一种新型被动预应力调谐质量阻尼装置(PS-TMD)。基于结构动力学原理,给出了风机及PS-TMD装置体系的简化力学计算模型,推导了体系动力系数及分支点共振频率比,分析了PS-TMD的减振机理,推导了体系的最优频率比、阻尼比、质量比,从理论上阐明了体系参数的最佳调谐。通过某风机塔筒理论分析表明:与相同条件下的传统TMD相比,PS-TMD的最优频率比可达0.9974,最优阻尼比为0.35%,且PS-TMD有阻尼体系不存在共振发散现象,在接近结构自振频率附近减振效果可达60%以上。有限元模拟结果表明,在三组不同风荷载作用下,塔顶位移减振控制均可达到35%以上,能有效抑制塔架结构的共振。     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。     

高柔塔风电机组塔筒振源特性分析EI北大核心CSCD

高柔塔风电机组具有轻质、高耸、低阻尼等特点,使得其对各种激励源的动力反应更为敏感,其振源的识别和研究对机组运行时的安全评估具有重要意义。以某140 m级高柔塔风电机组塔筒为研究对象,测量其不同高度处的振动响应信号,利用谱峭度法识别诱发塔筒振动的主要振源类型及其特性,通过小波包分解和小波包能量计算原理对实测信号进行分解得到表征各振源特性的频域分量和能量占比,最后对不同工况和不同测点位置的振源特性及其能量占比进行统计。研究发现,在高柔塔风电机组的全生命周期内塔筒结构始终受到其1阶自振或风轮旋转等周期性强振源激励作用,随着发电功率的增加,强振源由单一的1阶自振激励转为1阶自振与风轮旋转联合激励再到完全风轮旋转激励的变化规律,并且在高转速区,风轮的倍频与塔筒的多个模态频率接近,容易引起共振。     

运行状态下海上风机结构振源特性研究EI北大核心CSCD

由于海上风机结构运行环境的复杂性,其振源的准确识别与振源特性研究已经成为风机运行安全性评估的重点问题。以某新型复合式筒型基础结构海上风力发电试验样机为研究对象,依据原型观测获得的全负荷条件下结构不同位置的振动响应数据,对不同运行工况下诱发结构振动的振源进行全面识别与分析。利用谱峭度法识别明确引起海上风机结构振动的主要振源及其对应振动响应的频域属性,通过经验模态分解法对实测信号进行分解得到表征各振源特性的频域或频率尺度的分量,同时引入振动能量法对不同振源的能量比重进行统计分析,给出了海上风机结构运行状态下结构整体振动主振源及其对应振动能量分布随运行因素变化的分布规律。研究表明随着机组负荷的增加运行状态下海上风机结构振动的振源变化遵循由单一的环境荷载激励转为环境荷载激励和叶轮转动联合作用再到完全由叶轮转动产生的谐波激励影响的规律。     

长期反复荷载作用对海上风电单桩基础的影响分析

国内外已建成的海上风电通常采用大直径单桩基础,需承受多种复杂外部荷载,如风荷载、波浪荷载和潮流荷载等。在长期反复荷载作用下,单桩基础产生累积变形,侧向刚度发生变化,而这些性能的变化会对海上风电整体安全性产生重要影响。对于这个问题,目前设计中采用规范给出的简化设计方法考虑长期反复荷载的影响,即在传统的p-y曲线上乘以一个降低系数,而没有针对海上风电大直径单桩基础给出具体的设计方法。鉴于p-y曲线是基于较小直径桩试验结果所得,对于大直径桩是否安全可靠,还需要验证。鉴于此,采用文献提出的桩周边土体在反复荷载作用下变化的简化模型,建立了整体三维有限元模型,考虑长期反复荷载作用对桩周边土性能的影响,以一实际海上风电案例为背景,研究长期反复荷载对海上风电基础自振频率和桩体变形性能的影响以及参数敏感性分析,分析结果对海上风电单桩基础设计有一定的参考作用。     

运行状态下海上风机结构振源特性研究

由于海上风机结构运行环境的复杂性,其振源的准确识别与振源特性研究已经成为风机运行安全性评估的重点问题。以某新型复合式筒型基础结构海上风力发电试验样机为研究对象,依据原型观测获得的全负荷条件下结构不同位置的振动响应数据,对不同运行工况下诱发结构振动的振源进行全面识别与分析。利用谱峭度法识别明确引起海上风机结构振动的主要振源及其对应振动响应的频域属性,通过经验模态分解法对实测信号进行分解得到表征各振源特性的频域或频率尺度的分量,同时引入振动能量法对不同振源的能量比重进行统计分析,给出了海上风机结构运行状态下结构整体振动主振源及其对应振动能量分布随运行因素变化的分布规律。研究表明随着机组负荷的增加运行状态下海上风机结构振动的振源变化遵循由单一的环境荷载激励转为环境荷载激励和叶轮转动联合作用再到完全由叶轮转动产生的谐波激励影响的规律。     

台风-浪-流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析

为揭示海上台风-浪-流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性,以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象,采用Model Coupling Toolkit(MCT)建立中尺度WRF-SWAN-FVCOM(W-S-F)实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变,再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片-塔筒-波浪面之间的干扰效应,提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。结果表明：建立的中尺度W-S-F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用;塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主,在波浪干扰段以顺风向为主,并在低空波面附近表现出较强的脉动特征;A位置叶片最安全而B位置最危险;T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×106量级,基底弯矩最大达5.2×108量级。     

冰区海上单桩风机振动响应与控制

针对冰区海域风机结构冰激锁频振动问题,深入开展其冰激振动响应分析,提出基于三维摆式阻尼器的冰区风机振动控制方法。基于M??tt?nen-Blenkarn自激振动理论,采用APDL开发冰区风机自激振动分析程序;基于叶素动量理论,考虑Prandtl叶尖损失修正和Grauert修正,利用MATLAB编程计算获得风机叶片空气动力载荷;针对NREL 5 MW海上单桩风机结构,考虑我国渤海海域一年一遇冰情,开展不同方向冰-风组合工况下的振动响应分析,给出风机结构发生锁频事件的冰速范围,并对有、无三维摆式阻尼器的风机塔筒响应进行对比分析,结果表明:单桩风机发生锁频事件对应的冰速范围为0.01～0.06 m/s,冰-风同向时,风机发生冰激锁频所对应的冰速范围最大,塔筒结构响应最大;三维摆式阻尼器能够显著抑制冰-风载荷联合作用下的塔筒面外和面内振动响应,从而大大提高其服役的安全性。该研究成果可为冰区服役风机结构的安全运行提供技术支持。     

巨型结构自振特性的影响因素分析

巨型结构体系是适应超高层建筑发展趋势和特点的新型结构体系,该文选取上海环球金融中心大厦为研究对象,该结构采用巨型框架结构、钢筋混凝土筒结构和伸臂钢桁架组成的三重结构体系抵抗水平荷载,进行了整体结构模型的振动台试验,并利用有限元软件ANSYS进行了自振特性分析,理论分析与试验结果进行了验证,探明了该巨型结构体系的动力特性和主要影响因素,可供工程设计人员在结构选型和方案设计时参考。