单桩基础海上风力机遭遇船舶撞击的动力响应分析

为研究单桩基础海上风力机遭遇船舶撞击的动力响应特性,建立基于国内某单桩柱式的3MW风力机与船舶碰撞模型,运用显式动力学理论并结合非线性有限元方法,通过LS-DYNA模拟5000t船舶以不同速度撞击风力机过的动力响应过程。结果表明:碰撞持续的时间和最大接触力随着速度的增加而增加;碰撞结束后,船舶回弹动能与初始动能之比随着速度的增加而减少,但结构变形能与初始动能之比随着速度的增加而增加;当船舶速度为2 m/s时,碰撞主要为塑性碰撞,撞深为0.675 m,塔顶风力机最大位移和加速度分别为2.3 m和29 m/s~2。     

不同比例钢-混凝土段对大兆瓦风电塔架结构的影响

为了研究不同比例钢段和混凝土段对陆上风电机组钢-混凝土组合式塔架振动频率、塔顶位移、不同塔架截面(塔顶、过渡段和塔底)结构载荷的影响,对某3.XMW-156-140HH陆上风电机组(钢-混凝土组合式塔架)在混凝土段高度分别为112.51 m、113.51 m、114.51 m、115.51 m、116.51 m条件下,基于IEC 61400-1标准,通过仿真软件建立该机型五种钢-混凝土组合式塔架模型并进行计算,根据计算结果可知：增加混凝土塔架高度导致静态和动态频率升高,整体塔架刚度增大,避免叶轮与塔架发生共振现象,且导致塔架顶部位移量减小;混凝土段高度的提高,造成塔底弯矩载荷增大、扭矩减小,塔顶和过段段截面载荷降低。因此,根据不同比例钢段和混凝土段条件下塔架参数变化的定量计算,为钢-混凝土组合式塔架的设计优化提供科学参考。     

海上漂浮式风力机Spar平台动态特性分析

建立基于Umaine-Hywind Spar平台的漂浮式风力机整机模型,针对平台进行水动力特性分析,主要研究结构的时域动态响应和频域波浪力响应。利用有限元软件ANSYS中水动力计算模块,考虑风、浪、流联合载荷,得到风力机平台的时域和频域特性,通过平台随时间的位置变化幅度分析了平台的动态响应特性;分别研究了各波浪力成分对结构运动的贡献,并探讨了波浪力随频率的变化趋势。结果表明：结构在低频波浪作用下容易出现较大响应,包括幅值响应算子和所受波浪力;在主要波浪力成分中,附加质量力峰值最大;结构在外界载荷作用下平台的偏转运动比水平位移运动更显著。     

某水电站进水塔地震作用下鞭梢效应分析

采用时程法计算地震作用下某进水塔的动力特性,提取顶部排架柱的动力响应结果,分析顶部结构在地震作用下鞭梢效应所带来的放大增幅以及出现原因。分析结果显示:塔顶排架柱迎水向存在明显的鞭梢效应,动力响应规律与传统高耸结构相似,其中拦污栅排架柱顶部位移响应相对底部放大了2.02倍,加速度响应变化幅度达到84.18%;启闭机排架柱位移响应放大了2.58倍,加速度响应放大了2.2倍。     

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。     

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。     

中东某抽蓄地下厂房洞室群地震动力响应分析

针对中东某抽水蓄能电站地下厂房抗震稳定性问题,以掌握地下厂房洞室群围岩地震动力响应为目标,采用动力时程分析方法,依据当地及欧洲标准,对该地下厂房洞室群地震响应进行三维非线性数值模拟,分析了洞室围岩加速度、位移、塑性区、应力分布特征及支护受力特征。结果表明:在地下厂房洞室群围岩开挖面上,围岩的加速度会表现出明显的放大效应,且结构面上会加剧加速度响应;位移时程响应与输入地震荷载位移时程曲线形态一致,但在幅值和相位上有一定差异;围岩相对变形、残余变形较大的部位与加速度放大系数较大的部位一致,围岩塑性区和应力松弛区增加较为明显的部位与加速度放大系数较大、相对变形和残余变形较大的部位基本一致;在地震作用下,围岩支护结构受力增长较小,锚杆受力超过300 MPa的百分比与围岩变形、塑性区的发展规律一致。研究成果对地下工程围岩抗震稳定性分析和抗震设计具有参考价值。     

海上张力腿式风机支撑结构疲劳载荷特性研究

采用风机正向设计软件SAMCEF for Wind Turbine(S4WT),考虑风载荷和波浪载荷的联合作用,对海上张力腿式风机支撑结构疲劳载荷进行研究。首先,对支撑结构进行动力响应分析,得到风、浪联合作用下的疲劳载荷时程曲线,并采用雨流计数法得到疲劳载荷谱。然后,基于线性疲劳累积损伤理论求出对应的等效疲劳载荷。最后,分析相同风速下不同湍流强度等级对疲劳载荷的影响。计算结果表明:对支撑结构疲劳寿命影响最大的疲劳载荷为塔基处的倾覆力矩。风载荷和波浪载荷联合作用下的等效疲劳载荷并不是二者单独作用下的等效疲劳载荷的简单线性叠加,而是介于二者之间。湍流强度每升高一个等级,等效疲劳载荷基本上增加10%左右。     

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。     

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。     

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。     

加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真

针对海上风电机组大直径单桩基础水平位移不易控制等问题,提出了一种加装稳定翼的单桩结构型式.通过在近地表(泥面)一定范围内的桩身设置一组翼板,充分利用浅层桩前土的抗力,增强了基桩水平承载性能.借助数值仿真计算结果,采用指数拟合法、四阶多项式拟合法对水平荷载与基桩水平位移关系进行拟合,进而求解单桩水平极限承载力.结果表明,四阶多项式拟合法精度更高;加装稳定翼的单桩水平位移及桩身最大弯矩明显降低,单桩水平极限承载力显著增强,稳定翼安装位置会对基桩水平承载力的提高效果产生影响.该结构形式可推广到其他海上风电基础结构小直径钢管桩的桩型改良中,有利于减小相应的材料成本及施工成本.     

系泊参数对漂浮式风力机平台的影响研究

海上漂浮式风力机的研究已成为风电领域的重点与热点,而系泊对漂浮式风力机平台的安全有极其重要的影响,因此本文选取基于Barge平台的NREL 5MW漂浮式风力机作为研究对象,研究系泊参数对漂浮式风力机动态响应及系泊缆张力的影响。结果表明:系泊直径和系泊长度的变化对漂浮式风力机纵摇及系泊缆顶端张力影响较大,对垂荡和纵摇影响较小;当系泊直径为0.3m时,纵荡位移偏移量达到最大,系泊缆顶端张力达到最小;随着系泊长度的增长,纵荡位移不断增大,系泊缆顶端张力不断减小。     

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。     

高耸升船机塔柱结构抗风数值风洞模拟

利用数值风洞模型技术,采用原始不可压缩黏性流体N-S方程描述风场的运动,建立合适的计算域边界条件,基于ADINA有限元分析软件,提出了一种高耸升船机塔柱结构抗风分析方法,并通过算例验证了该方法的正确性和有效性;结合工程实例,分析了升船机塔柱结构的风致响应,求得升船机塔柱结构风载体型系数,推导了升船机塔柱结构顺风向风振系数表达式,并与规范值进行了对比。数值模拟结果表明:高耸升船机塔柱结构顺风向最大位移出现在其迎风面顶部附近;数值风洞模型计算得到的升船机塔柱结构风载体型系数大于规范值;对于顺风向风振系数而言,在结构高度90 m以上区域规范值都偏小。     

漂浮式风力机的结构动力学响应

湍流风和波浪是影响漂浮式风力机安全最主要的客观因素。为分析漂浮式风力机在湍流风和波浪联合作用下的结构动力学响应,以NREL实测数据为湍流风场数据源,结合波浪作用,研究了风力机平台及各柔性部件的动力学响应。结果表明:漂浮式平台在纵荡方向响应较剧烈,垂荡和横荡方向响应可忽略不计,平台转动首摇方向较为剧烈;叶片根部挥舞方向力矩波动剧烈程度远大于摆振方向和俯仰方向,纵向剪力波动程度远大于横向剪力;塔尖在俯仰、横摇、偏航方向所受力矩量级较为接近,但初始时刻横摇方向力矩波动较为剧烈;塔基俯仰方向力矩波动剧烈程度远大于横摇方向。