含受损构件的海上风机三角架基础损伤识别及动力特性分析

以曲率模态为参数,阐述了基础结构构件损伤、定位的计算和识别方法;对构件受损情况下海上风机三角架基础的动力特性展开了研究,以刚度降低和壁厚侵蚀变薄两种方法定义受损状态,对主斜撑、泥面横撑受损情况下,冲击荷载和波浪荷载作用时的三角架动力响应特性进行了数值模拟,对比分析了模态、瞬态及谱分析.结果表明,可以运用曲率模态识别结构受损部位和受损程度,位移模态则无法实现;构件受损对结构动力响应影响显著,且与荷载作用方向和作用方式相关.所得结论可为三角架式海上风机基础结构设计提供参考.     

基于Craig-Bampton方法的海上风电机组基础结构超单元计算精度研究

基础结构超单元作为海上风电场结构半整体分析方法的基础,其计算精度对于基础结构设计及承载力校核具有显著影响。以基础结构超单元计算为重点,选取典型多桩基础海上风机为研究对象,系统研究在基于Craig-Bampton方法开展超单元计算时,其计算参数选取对于超单元计算精度的影响,并据此提出适用于海上风机基础结构超单元的计算参数选取原则。进一步建立海上风机整体耦合与半整体计算模型,通过不同风速下海上风机运动响应对比,对Craig-Bampton方法所得超单元矩阵计算精度进行验证。     

一种适用于海上风机监测数据实时处理的方法研究

海上风机监测异常数据实时处理,对于风机结构体系功能与安全状态的分析评价,具有十分重要的意义。但现阶段对于异常数据实时处理方法的研究还有待完善。本文结合风机实时监测数据特点,采用具有自动调整参数功能的AR(n)模型预测算法进行异常数据实时处理,对处理机制进行了分析。应用该方法对某海上风机实时采集风速及多种传感器监测数据进行了处理,讨论了该方法的精度及处理效率,验证了该方法对于处理风机异常监测数据的有效性和适用性。     

海上风机三桩基础与上部结构动力响应分析

基于ANSYS有限元平台,建立了海上风机三桩基础与上部结构一体的三维模型;采用Block Lanzcos法进行模态分析,得到风机结构的各阶模态振型,确定了结构的振动特性;并结合模态分析结果,考虑周期性波浪荷载的作用,对结构模型进行了瞬态动力分析。结果表明:海上风机三桩基础与上部结构模态振型较容易表现为弯曲形式,结构的抗弯性能要求较高。在波浪荷载作用下各关键部位的位移与应力时程曲线随时间的变化规律都表现为周期性波动,但又存在差异。对于位移时程曲线,离基础越远的部位,其位移幅值越大,波动非线性特性也越明显;对于应力时程曲线,应力幅值主要位于立柱顶端,即立柱与塔筒连接部位。波浪荷载对结构的受力和变形影响较大,不容忽视。     

海上风机基础与塔架体系实时安全评估方法研究

海上风机所处环境恶劣,基础与塔架等支撑结构在使用阶段受到荷载和非荷载因素,会产生累积损伤和性能退化。为了实时掌握基础与塔架体系的运行状态及安全性,进行合理的检修与维护,提出了一种基于神经网络的实时安全评估方法。结果表明:结合风况、风机运行等信息,仅在风机基础及塔架关键部位设置少量监测设备即可满足安全实时评估的数据要求;考虑限值比较、单点误差分析、总体误差分析后,可对基础与塔架局部及整体安全性进行实时评价。经实例论证,预测结果与监测数据较为接近,具有较好的实用性,可为类似工程提供参考。     

远程自动监控技术在海上风电结构基础安全监测中的应用

以福建莆田平海湾50MW海上风电场风机结构基础安全监测为背景,研发了一套可满足海上风电基础结构远程自动监控要求,集数据实时采集、传输、远程测控、数据分析与预警等功能于一体的海上风机结构基础远程自动化监控系统,可远程读取风机结构基础在各种工况下的数据,并进行监控效果评估,为全面掌握风机结构基础的寿命及安全提供科学依据。     

基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析

海上风机所处环境复杂,在风、波浪等随机动载作用下易发生共振破坏。为研究采用桩筒复合基础海上风机的振动特性,选择合理的基础设计参数,利用有限元软件ABAQUS进行海上风机整体建模,采用Block Lanczos方法进行模态分析,同时将所得自振频率与外荷载频率进行对比研究,并分析不同基础形式与不同基础约束条件下的风机整体振动特性。研究发现:前2阶水平弯曲频率与第3阶扭转频率为判断风机整体共振的主要频率;与单桩基础相比,桩筒复合基础能够有效增加风机抵抗水平荷载的能力,且在该设计参数条件下风机能够避免共振的发生;在基础设计时,应考虑桩土相互作用(PSI)的影响。     

基于AR模型的海上风机脉动风速时程模拟

为分析海上风机支撑结构及叶片的风振动力响应特性,基于线性滤波法中自回归AR模型,采用Kaimal脉动风速功率谱编制了具备时空相关特性的MATLAB脉动风速时程模拟程序;针对江苏如东黄海海域某4 MW级风机塔筒、叶片等结构进行了实例分析,得到结构表面各控制点模拟脉动风速时程曲线,并结合计算功率谱与目标谱进行对比验证;利用TurbSim软件对自编程序计算精度和效率进行比较。相关计算结果表明该程序简单易操作,所需参数较少;虽无法考虑湍流强度,但具有适用多种风机结构的优点;同时整体模拟效果良好,可有效解决风荷载输入问题。     

海上风电结构在环境激励下的试验模态分析

通过对启东海域的海上风电结构现场测试,采集环境激励下结构的响应信号,利用自然激励法和特征系统实现算法,结合奇异熵定阶对海上风电结构进行模态参数识别,建立三维数值模型对结构进行模态分析。结果表明,海上风电结构的有限元分析和试验模态分析结果吻合较好,实现了模态参数的准确识别,为结构的健康监测和损伤诊断提供依据。     

海上风电变径桩基础模态分析

依据江苏某海上风电项目,建立包含土体-变径桩基础-塔筒整体模型,利用附加质量法来模拟海水的影响,并在此基础上进行变径桩基础的模态敏感性分析。计算结果表明,风机基频与叶片3P频率错开度较小,会产生相应共振,且在深水区需考虑海水影响。敏感性分析方面,桩径与壁厚对结构基频为线性正影响,且前者影响更显著;埋深为非线性正影响,且存在一个临界埋深;变径段相对位置与长度对结构基频为负影响,两者影响程度类似,且变径段相对位置对基频的影响会在泥面处发生突变。     

近海风机基础-塔架结构体系振动监测与动力响应分析

我国东部近海区域目前建设的风电场基本均采用桩基结构,桩基一塔架结构体系是典型的细长高耸结构,在复杂海洋环境载荷作用下具有明显的动力性质、随机性质和非线性性质。本文结合江苏响水近海试验风机长期的桩基础一塔架结构体系振动监测数据,分析了结构体系振动与风、浪等环境荷载的相关性,结果表明：振动加速度与风速均方差存在明显的相关关系,塔架顶部的振动加速度随均方差的增大而增加;建立模型进行了动力有限元计算分析,计算结果较好反映了响水近海试验风机不同工况的动力响应。研究成果具有一定的工程应用价值,可为海上风机基础设计提供参考。     

基于调度线的水库多目标可供水量计算方法与应用

针对我国水源工程功能转换这一趋势,提出以水库供水调度线为控制,采用长系列等流量调节计算,建立以满足不同用户保证率为目标的可供水量计算分析方法。以三亚市赤田水库为例,通过长系列操作计算,确定同时满足生态环境需水、城镇供水、农业灌溉等多目标多保证率要求的水库最大可供水量,并分析城镇可供水量与用户保证率的变化关系和水源功能变化对设计供水能力的影响。该方法具有一定实用性和通用性,可为水库可供水量的计算提供参考。     

环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析

为研究海上风电结构在复杂的海洋环境中承受环境荷载(风、波、冰、流)的联合作用时,结构产生的剧烈的动力响应问题。文章以三脚架基础海上风电结构为研究对象,采用ANSYS有限元软件建立其整体模型并进行荷载(风、波、流和风、冰、流)联合作用下的静力校核,通过对环境荷载联合作用下的三脚架基础海上风电结构进行瞬态分析,掌握其动力响应的特性及规律。结果表明:三脚架基础结构的一、二阶自振频率均为0.285Hz,在所选风机允许的频率范围内,可以保证整体结构不会与风机转动发生共振;风荷载在风、波、流荷载联合作用下主导控制结构响应的稳态波动,冰荷载在风、冰、流荷载联合作用下主导控制结构的稳态振动过程;塔筒顶端呈现的位移和加速度响应均远大于三脚架基础顶端;环境荷载联合作用下结构动力响应是环境荷载单独作用下动力响应叠加的结果。     

近海风电筒型基础风机结构地震 动力响应分析

为研究近海风电筒型基础风机结构的地震动力响应,基于ABAQUS软件的UMAT平台嵌入了能够反映土体非线性与滞后性的等效线性动本构模型,考虑土—结构相互作用（soil-structure interaction, SSI）,针对国内某近海风力发电系统构建“桨叶—塔架—筒型基础—土体”的有限元—无限元耦合分析模型,在静力分析的基础上采用时域分析法对其进行动力响应分析。研究表明,SSI效应会降低结构的自振频率;在地震动作用下,该风机高塔结构水平向加速度响应在塔架2/3高度附近处最大,竖向加速度响应则沿塔架高程一直增大,且其放大效应强于水平向。     

极限海况下三种漂浮式风力机平台的动态响应对比

平台结构的稳定性是漂浮式海上风力机安全运行的基础保障。为对比几种漂浮式风力机平台结构的稳定性,分别建立基于张力腿式、桅杆式、驳船浮式平台的漂浮式风力机模型,采用有限元方法并结合多体动力学方法,研究了3种平台结构在风、浪、流载荷作用下的时域和频域动态响应,得到了各波浪力随波浪频率的变化趋势及其对比情况。结果表明:运动幅值和平台所受波浪力均在低频波浪作用下出现较大响应;极限海况下,驳船式平台动态响应较之Spar和张力腿更为剧烈。     

风波流多环境海上漂浮式风力机张力腿平台动态特性

平台结构是漂浮式海上风力机安全运行的基础保障。采用边界元并结合多体动力学方法,分析了张力腿（Tension Leg Platform,TLP）漂浮式风力机平台结构,研究了平台结构在频域和时域运动响应变化及漂浮式平台在多种不同海洋环境条件下风、波、流联合作用,与波浪载荷独立作用时的运动响应进行了比较,得出平台结构在时域中的动力响应及张力腿结构张力变化情况。结果表明：漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP平台的作用力不能忽略;海洋环境载荷较小时,风、波、流联合作用比只有波浪运动响应强烈,而随着海洋环境载荷增强,波浪作用越来越大,对漂浮式平台运动有着重要影响;风、波、流联合作用运动响应标准差大于只有波浪作用,平台偏离平衡位置更加剧烈;张力腿最大张力随着海洋环境载荷增强逐渐增大,每根张力腿张力标准差都是以相同的趋势递增。研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值。     

黏土地基近海风机桶形基础累积变形研究

基于黏土循环累积变形的半经验公式,将土体循环累积变形等效为蠕变,形成了近海风机桶形基础累积变形的有限元计算方法。在长期实测响水近海海域风、浪数据的基础上,以已建2 MW风机参数进行分析,得到了不同循环作用次数下桶形基础中心沉降量、不均匀沉降量和倾斜率。计算结果表明,风机运行期内桶形基础变形可满足风机运行要求。     

基于流固耦合的风力机叶片结构稳定性分析

针对叶片在气动载荷下出现局部屈曲现象,建立了大型复合材料风力机叶片有限元壳体模型,主要研究了叶片结构在流场作用下的稳定性。基于流固耦合方法,借助CFD软件计算得到叶片表面的分布压力,将计算结果导入到叶片结构计算的有限元壳体模型,以此为载荷对叶片进行了屈曲分析。以1.5MW复合材料风力机叶片为例的计算结果表明:复合材料抗压性能较抗拉性能弱,叶片背风面受到压缩载荷,局部屈曲主要出现在叶片背风面,叶根向叶中发展的后缘区位于几何突变区,结构设计较为薄弱,需增加该区域铺层材料的厚度。     

风载荷对单柱式海上风力机船舶碰撞影响研究

随着海上风能的开发与利用,船舶与海上风力机的碰撞风险正逐渐上升。为此采用非线性有限元软件LS-DYNA模拟速度为2m/s质量为5000 t的船舶与3 MN单柱式海上风力机碰撞过程,研究有、无风载荷及风载荷作用方向对风力机结构动力响应影响,对比分析了碰撞力、塔顶位移、塔顶加速度以及撞击处塔架等效塑性应变。其结果表明:风载荷对风力机船舶碰撞动力响应影响很大,碰撞力相对差异约为1%,塔顶位移相对差异约为10.9%,塔顶加速度相对差异约为17.5%,撞击处等效塑性应变相对差异约为3.05%;海上风力机船舶碰撞动力响应在不同风载荷作用方向上有着很大的差异,不同风载荷作用方向上最大与最小的碰撞力、塔顶位移、塔顶加速度以及撞击处等效塑性应变相对差异分别为28.5%、57%、62.5%以及9.5%;塔架纵向摆动随着风载荷的作用方向产生很大变化,最大值为0.505 m,最小值为0.0393 m。研究结果可为海上风力机抗碰撞防护性能研究及设计提供理论参考。