基于电涡流-调谐质量阻尼器的海上风电筒型基础结构减振研究

针对海上风电结构在极端风荷载作用下会发生不利于工程安全的大幅振动问题,从理论推导与工程应用两个方面研究了基于新型电涡流-调谐质量阻尼器(Eddy Current-Tuned Mass Damper, EC-TMD)在海上风电筒型基础结构应用的可行性。首先,基于电涡流阻尼器(ECD)减振机理,将新型水平和摆式EC-TMD中的电涡流阻尼采用数值模拟中常规阻尼器等效替代;随后,利用Warburton公式对EC-TMD结构阻尼比和频率比进行优化;最后,将EC-TMD应用于江苏响水海上风电复合筒型基础结构实际工程模拟中。结果表明:极端风荷载工况下,EC-TMD可有效降低塔筒顶部振动位移幅度达21%～33%,说明其对海上风电筒型基础结构减振具有工程应用价值。     

基于惯容系统位置的调谐质量阻尼器的振动控制研究

为研究惯容系统位置对调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)减振性能的影响，首先基于动力学原理，采用定点理论对惯质调谐质量阻尼器(TMD-inerter, TMDI)进行参数优化，得到最优频率比和最优阻尼比解析解；其次讨论了频率比及阻尼比对结构振动特性的影响；最后对TMDI鲁棒性进行研究。结果表明：惯容系统连接位置对阻尼器吸振能力影响显著，与传统TMD和非接地TMDI相比，接地TMDI使主结构动力放大系数分别减小约8.4%、16.5%;接地TMDI调频宽度相比传统TMD提高约6%;在阻尼摄动范围内，接地TMDI减振系统动力放大系数增幅约1.5倍；接地TMDI具有更良好的鲁棒性，可为设计新型TMDI模型提供理论参考。     

基于TMD的风力发电机组降载设计方法

针对山西某风电场44#风电机组在水平垂直于传动链方向的突发性、间歇性振动而导致风电机组振动超限停机。设计了质量阻尼调谐装置(TMD)对风电机组进行减振,并对TMD减振装置的原理和设计流程进行了详细的介绍。同时,设计开发了TMD减振装置,成功应用于风电现场。应用结果表明:设计的质量阻尼调谐装置在机组满发工况下减振效果能达到40%以上,能够减轻风电机组机舱振动幅度,消除风电机组机舱振动故障,减少风电机组的故障停机时间。     

输电塔减振的新型TMD开发与应用研究

针对强风和断线冲击作用下高压输电塔易发生的较大幅度振动问题,开发了一种弹簧板式电涡流调谐质量阻尼器(ECTMD)以减轻此类结构的风致振动和断线冲击效应。采用的ECTMD相比以往类似装置,其突出优点为使用非接触式的电涡流阻尼,构造简单且无内摩擦阻力,微振动下即可启动,且非对称悬臂梁摆式构造使其具有全向抑振功能。运用数值模拟和气弹模型风洞试验对有无ECTMD时的某50 m高输电塔振动响应进行了分析验证,计算和试验结果表明:ECTMD沿各方向均有一定的减振效果,在质量比约2%时,加速度减振率为18%～27%,位移减振率为10%～25%;因风作用下塔身1阶共振相比背景响应占比很小,故加装调谐质量阻尼器(TMD)装置对结构风振的抑制相对有限,但其能将结构阻尼值提高3倍左右,对于减小断线等冲击荷载效应会有较好效果。     

结构主动多重调谐质量阻尼器风致振动控制的最优性能研究

基于我国现行的风荷载规范,建立了在风荷载作用下结构-主动多重调谐质量阻尼器(AMTMD)系统的动力方程.定义AMTMD最优参数准则为:结构-AMTMD系统的位移或加速度响应方差的最小化.AMTMD有效性的评价准则为:设置AMTMD结构的最小化位移或加速度响应方差与未设置AMTMD结构的位移或加速度响应方差之比(分别称为位移和加速度减振系数).根据上述准则,在频域内数值研究了结构自振频率、标准化加速度反馈增益系数、质量比对AMTMD系统的最优参数(包括最优频率比,阻尼比和频率间隔)、有效性和冲程的影响.为了比较,论文同时也考虑了结构多重调谐质量阻尼器(MTMD)风致振动控制的情况.     

风力发电机塔筒风致响应分析与风振控制研究

该文以内蒙古白云鄂博某1.5 MW风力发电机塔筒为研究对象,根据线性滤波法模拟生成风力发电机暴风风况瞬时风速时程,利用模拟得到的瞬时风速对风力发电机塔筒进行风致响应分析,应用调谐质量阻尼减振技术(TMD)对风力发电机塔筒进行暴风风况下的风振控制研究。结果表明:风力发电机塔筒顶部的动力响应具有较强的随机性和波动性;TMD对风力发电机塔筒具有较好的风振控制效果,总体上TMD对风力发电机塔筒的风振控制效果随着质量比和阻尼比的增大而增加,最后趋于稳定。该文给出了设计中质量比、阻尼比及频率比的取值建议。     

颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器的设计与实验

石化企业中缓冲罐、管道、压力容器及换热器等圆筒形设备普遍存在振动。采用低元化模型和等效质量辨识法,对调谐质量阻尼器在此类连续系统中的振动控制机理进行研究,设计一种便于安装的新型颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器。理论推导阻尼器环向对称布置弹簧的综合刚度,测量颗粒碰撞阻尼系数,得到了最优调谐参数的阻尼器。运用MATLAB对不同阻尼比的阻尼器减振特性进行仿真,并设计悬臂钢结构圆筒模型作为振动控制对象。对结构1阶模态频率附近的振动控制情况进行实验,对比有无颗粒阻尼下的减振效果差异。结果表明,设计的颗粒碰撞阻尼器能够有效抑制圆筒设备各方向振动,且减振频带大幅度拓宽。这种环形设计思想和颗粒碰撞阻尼可以对调谐质量阻尼器提供更大的应用空间。     

基于微型永电磁式涡流阻尼TMD的人行桥模型减振试验研究

针对现有结构模型减振实验用调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)难以实现TMD刚度与阻尼参数完全分离、阻尼参数试验过程中无法保持恒定且难以调整问题,研制微型永磁式电涡流阻尼TMD。其性能试验与分析结果表明,微型TMD采用电涡流阻尼装置既能确保刚度与阻尼参数的有效分离,亦能实现阻尼参数稳定、简单易调。通过某大跨度人行桥模型一阶横向振动模态自由振动减振实验识别获得结构模态阻尼比及强迫振动减振实验识别获得结构模态阻尼比、结构动力响应放大倍数、结构与TMD运动相位差等,证实微型永磁式电涡流阻尼TMD用于结构模型减振实验的可行性与有效性。     

圆形高耸结构两级变阻尼TMD风振控制

考虑到实际工程中TMD的限位问题,提出使用两级变阻尼TMD来控制圆形高耸结构的风致振动。使用Den Hartog参数来确定TMD的频率比与第一级阻尼比。鉴于圆形高耸结构的顺风向与横风向风振效应均较为明显,推导了顺风向与横风向风荷载作用下TMD的位移响应峰值公式,以二者的较大值作为迭代依据,迭代求解TMD的第二级阻尼比。以某实际圆形高层景观塔作为工程算例进行了数值仿真分析,分析结果表明两级变阻尼TMD能有效控制圆形高耸结构风致振动,且TMD位移满足限位要求。     

单斜面索拱支承曲梁人行桥人致振动控制研究

进行了一种单斜面索拱支承曲梁人行桥的人致振动控制研究。在人行桥的初始状态及静动力特性基础上,模拟了随机人群荷载作用下人行桥的振动响应,参数化地研究了调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)的减振作用,考虑了TMD不同质量比、刚度、阻尼参数以及布置方式的影响。在TMD装置安装前后对人行桥进行实地动力测试,测试了结构减振前后的模态特性以及在单人、多人和人群荷载工况下的振动响应,讨论了TMD装置对该类型人行桥的减振效果。结果表明:减振后结构关键模态阻尼增大为减振前的4.14倍;单人步行和跑动工况下,通过设置TMD,结构加速度峰值下降31.1%～55.9%,加速度均方根下降36.4%～52.0%;多种人群步行工况下,结构竖向加速度峰值最大为0.41 m/s~2。研究结果表明单斜面索拱支承曲梁人行桥刚度较柔,TMD对控制该类型人行桥结构人致振动具有很好的效果。     

风浪联合作用下海上风力涡轮机的碰撞阻尼减振控制

提出利用碰撞调谐质量阻尼器(Pounding Tuned Mass Damper,PTMD)控制近海单桩风力涡轮机塔身在风浪联合作用下的结构振动.为此,利用拉格朗日方程推导风浪联合作用下风机与PTMD 的耦合动力方程并据此分析了相关控制效果.具体而言,结构模型方面,以美国国家可再生能源实验室(NREL)的5 MW基准单...     

抑制海上浮式风力机振动的TMD限位策略研究

调谐质量阻尼器(TMD)能有效抑制海上浮式风力机的振动响应。风浪作用下,TMD将产生较大的振幅,和风机结构发生碰撞,严重影响风机结构安全,故必须对TMD进行限位设计。针对此问题,在Barge式风力机机舱中配置TMD,提出了3种TMD限位策略:阻尼限位策略、刚度限位策略及联合限位策略。采用拉格朗日方程,建立TMD行程受限的海上浮式风力机3自由度动力学模型,研究了不同限位策略下TMD的抑振效果。结果表明:采用联合限位策略,可以避免单一限位策略的缺陷,此时,TMD最大行程为7.85 m,对塔顶纵向位移和平台纵摇角标准差的抑制率分别为40.01%和61.78%。     

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。     

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。     

考虑叶片停机位置大型风力机塔架风-沙致结构响应分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能,尤其在沙尘暴极端天气条件下,沙粒的附着也会影响风的湍流特征并对塔架产生附加冲击力,现有工作均缺乏风-沙耦合作用对大型风力机体系气动性能及结构响应的探索.以南京航空航天大学自主研发的5 MW水平轴风力机体系为对象,以风-沙双向耦合算法为核心,基于CFD技术分别采...     

π型开口截面斜拉桥弯扭耦合涡激共振及气动减振措施研究

针对某大跨径π型叠合梁斜拉桥的气动性能,利用刚性节段模型针对其成桥状态展开了系统的风洞试验研究.试验结果表明,该桥主梁在设计风速范围内存在明显的竖弯及扭转耦合涡激共振现象,即使将竖弯以及扭转阻尼比提高到1％左右,仍然存在明显的涡激共振现象并且振幅超过规范限值.频谱分析表明,该桥主梁断面的竖弯和扭转耦合涡激共振的频率是一...     

利用球形弹簧摆对输电塔风振控制的有限质点法

为了研究球形弹簧摆对输电塔结构的风致振动控制效果,通过分段等刚度梁单元建立输电塔简化模型。给出了空间梁系结构基于Timoshenko梁理论的单元内力计算公式,并应用有限质点法对简化模型及其与球形弹簧摆的耦合系统进行风致响应分析。一方面,球形弹簧摆由于内共振性质实现非线性能量阱,从而增加振动抑制频带的宽度,提高了鲁棒性;另一方面,球形弹簧摆和结构的非线性耦合,使得顺风向的振动能量部分转移到横风向,尽管增大了横风向响应,但是降低了结构的总体响应。计算结果表明球形弹簧摆减振效果非常好,当将其安装在除塔顶外的三个位置时,位移最大值和加速度均方根减振率分别为32.5%~41.7%和35.7%~65.2%。保持质量比和安装位置不变,验证了球形弹簧摆具有较宽的设计频带。使用球形弹簧摆可以显著减小位移标准差,有利于降低结构的疲劳损伤风险。     

环境激励下输电塔动力特性参数识别

输电塔的动力参数是进行抗风设计的重要依据,其中阻尼比的取值对输电塔风振系数的计算影响显著。以一基110 kV输电塔为背景,分别采用环境随机激振和牵引绳激振对输电塔施加激振作用,采用修正平均周期图法消除环境噪声对真实信号的干扰,在考察峰值频率相干度在95%以上的基础上,采用半功率带宽法识别输电塔的频率和阻尼比等动力参数。研究结果表明:修正平均周期图法对实测数据信号有良好的降噪效果,有效减小噪声干扰产生的阻尼比识别误差;采用环境激励能准确识别输电塔的动力参数。     

Vibration Performance,Stability and Energy Transfer of Wind Turbine Tower via Pd Controller

In this paper, we studied the vibration performance, energy transfer and stability of the offshore wind turbine tower system under mixed excitations. The method of multiple scales is utilized to calculate the approximate solutions of wind turbine system. The proportional-derivative controller was applied for reducing the oscillations of the controlled system. Adding the controller to single degree of freedom system equation is responsible for energy transfers in offshore wind turbine tower system. The steady state solution of stability at worst resonance cases is studied and examined. The offshore wind turbine system behavior was studied numerically at its different parameters values. Furthermore, the response and numerical results were obtained and discussed. The stability is also analyzed using technique of phase plane and equations of frequency response. In addition, the numerical results and comparison between analytical and numerical solutions were obtained with MAPLE and MATLAB algorithms.