分形结构橡胶、泡沫铝海上风力机防护装置性能研究

为避免船舶-风力机碰撞造成巨大损失，提升海上风力机防护装置抗撞性能，将笛卡尔分形结构应用于橡胶及泡沫铝材料设计防护装置，基于非线性动力学理论，采用ANSYS/LS-DYNA模拟5000 t船舶碰撞安装分形结构橡胶、泡沫铝防护装置4 MW单立柱三桩海上风力机基础过程，对比分析研究不同材料防护装置采用分形结构后防护性能优劣。结果表明：较橡胶材料，泡沫铝防护装置吸能效果更好，显著提升防护装置能量耗散能力；分形结构作用于不同材料具有不同表现，应用于泡沫铝材料降低接触力效果更显著，而应用于橡胶在提升耗能、降低塔顶响应方面表现更佳。     

海上风力机橡胶及泡沫铝材料防护装置性能研究

为研究不同本构橡胶与泡沫铝材料用于海上风力机防护装置的抗撞能力,基于非线性动力学理论,采用LS-DYNA软件模拟吃水量5 000 t船舶低速撞击装配主体材料分别为Ogden橡胶、Mooney-Rivlin橡胶及Aluminum foam泡沫铝防护装置的4 MW单立柱三桩基础海上风力机过程,对接触力、撞深、能量耗散、损伤及塔顶运动进行分析。结果表明：Aluminum foam较Ogden与Mooney-Rivlin材料防护装置可降低最大接触力与最大撞深,其疏松多孔结构可吸收大量能量且降低反弹动能;在Aluminum foam材料保护下风力机塔架塑性变形与塔顶正向位移更小,安全性更高。     

防护装置对海上风力机-船舶碰撞动力响应影响的研究

建立国内某单桩柱的3 MW风力机与船舶碰撞模型,概念性地提出一种橡胶-钢结构防护装置,运用非线性动力分析方法,通过LS-DYNA模拟2 000 t船舶以不同速度撞击风力机塔架,研究防护装置对碰撞过程中塔架的动力响应特性影响并与无防护装置的塔架进行对比。结果表明:安装防护装置后对塔顶风力机的响应抑制效果明显;塔顶正负向最大位移、速度和加速度较无防护装置时分别减少了33%、50%和23.6%;塔架下端结构变形能大幅减少,塔架撞深小于无防护装置的1/10;防护装置能避免碰撞力集中施加于塔架上,使作用在塔架上的最大应力小于塔架材料的屈服强度。     

基于分形特征的海上风力机防护装置设计研究

根据分形理论设计一种分形防护装置,基于非线性动力学理论,采用ANSYS/LS-DYNA模拟5000 t船舶与设有不同阶数防护装置的4 MW海上风力机碰撞过程,分析研究不同阶数防护装置的防护效果。结果表明：较橡胶材料实心防护装置,分形防护装置可有效降低接触力,延长接触时间;分形结构可提高防护装置内能转化能力,促进外层钢壳吸能,并提升橡胶内能耗散;分形防护装置应力峰值更低,高应力区域更广,可使更大面积材料发挥防护作用,有效降低撞深。不同阶数分形结构的抗撞性能与分形孔受撞后变形状况有关,其中一阶分形结构提升防护装置抗撞性能最优。     

基于复合地基反力法的单柱式海上风力机船舶碰撞研究

采用非线性有限元软件LS-DYNA模拟5 000 t的船舶与3 MW单柱式海上风力机碰撞过程,并采用复合地基反力法描述碰撞过程中土壤与桩相互作用,研究土壤与桩相互作用及船舶碰撞速度对海上风力机碰撞过程的影响,对比分析了碰撞力及海上风力机结构动力响应。研究表明:船舶最大碰撞力随着碰撞角度增大而减小,随着碰撞速度增大而增大;随着船舶碰撞速度增大单柱式海上风力机与船舶碰撞区域塑性变形逐渐增大;船舶碰撞速度增大到3 m/s时,风力机桩底产生塑性变形,继续增大到7 m/s时,风力机桩底产生塑性失效。     

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。     

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。     

单桩柱式海上风力机与船舶碰撞的动力响应特性分析

研究单桩柱式海上风力机受船舶碰撞后的动力响应特性,建立基于国内某单桩柱式的3 MW风力机整机模型,运用显式动力学理论并结合非线性有限元方法,通过有限元分析软件LS-DYNA模拟不同质量的船舶以不同速度撞击风力机的碰撞过程。结果表明:在保证碰撞船舶质量(速度)不变的情况下,碰撞持续的时间随着船舶速度(质量)的增加而增加;碰撞结束后,质量一定的船舶回弹动能与初始动能之比随着初始动能的增加而减少;在初始动能较小时,最大接触力与船舶质量和速度都具有显著的线性关系,初始动能相同时,碰撞的最大接触力也基本相同。     

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。     

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。     

Ship collision impact on the structural load of an offshore wind turbine

When a maintenance and operations ship is berthing, there is a chance the ship may collide into the wind turbine. When these ships collide into wind turbine structures, this can result in significant changes to the foundation and structure of the wind turbine. In this paper, the structural load of a 4 MW offshore wind turbine was analyzed during a collision with an operations and maintenance ship. The variations in the wind speeds on hub height, waves, and the sea currents were measured. The dynamic simulation of the wind turbine was carried out using the test data as the input parameters. As a result, the load condition of the turbine without a collision was obtained. Finally, the measured turbine load was compared with the simulation results. This study shows that the collision of the operation and the maintenance ship increases the bending moments at the tower’s bottom and the blade’s roots.     

考虑连接段厚度影响的风力机组合塔架优化设计*

钢-混组合塔架是低风速地区风力机支撑结构的主要型式之一,连接段对结构的性能有重要影响,组合塔架结构设计直接影响风力机的安全与建设成本。为改善塔架的结构性能以及降低塔架造价,构建了以各塔段外径、壁厚、连接段厚度和混凝土段高度等关键几何尺寸为设计变量,以塔架的固有频率、应力、位移和稳定性等关键性态指标为约束条件,以塔架成本为目标函数的优化设计数学模型。利用模型对某3 MW风力机组合塔架进行优化设计。结果表明：优化方案的塔架总成本减少了15.7%,塔架的整体结构性能得到一定改善;混凝土段高度为塔架总高度的62%时总成本最低;考虑连接段厚度的优化模型能有效调整连接段的受力性能,有利于提高塔架整体优化的效果。考虑组合塔架连接段厚度的优化设计可为同类塔架的设计提供参考。     

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。     

可变偏心距风力机应力应变特性研究

针对新型可变偏心距风力机,通过数值模拟及实验测试的方法,研究偏心距离对风轮、塔筒及侧偏调节机构受力的影响。结果表明,在来流风速增大的条件下,可变偏心距风力机通过增大偏心距可减小叶片受力,风轮向右侧偏心100 mm时叶片最大应力是未偏心工况的86%;随着偏心距离的增大,塔筒在俯仰方向受力增长趋势放缓,受风轮偏转角增大的影响,塔筒在侧弯方向受力处于持续增大的状态;在向右偏心距离增大的过程中,风轮侧偏调节机构应力及应变逐渐向右侧集中,最大应力、应变始终处于中间部位,结果验证了偏心距调节方式的可行性及安全性。     

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%。     

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NREL 5 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顶振动控制效果并不明显;粘滞阻尼器也能缓解因地震造成的支撑结构上Von-Mises应力集中现象且在粘滞阻尼器安装位置效果最好;粘滞阻尼器能够显著降低风力机桩基部分所受剪力最大值,而对弯矩的控制效果则在风力机支撑结构部分效果最明显。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。