地震作用下海上风机TMD控制

基于叶素动量理论、莫里森方程以及结构动力学基本理论建立了地震、风以及波浪荷载联合作用下的海上风机运动控制方程;依据风机运动控制方程在FAST中添加地震荷载计算模块建立了上述荷载作用下的海上风机整体耦合分析模型;依据整体耦合分析模型得到地震荷载作用下的海上风机动力反应特性。依据地震作用下的海上风机结构反应动力特性确定TMD的布置方案,并对不同TMD控制方案下海上风机结构的动力特性进行了分析。结果表明,TMD方法能够有效地降低机舱位置的加速度反应时程,但由于各位置加速度反应控制频率的差异,TMD并不能全面地降低风机机舱的加速度反应; TMD控制在不同地震波下对风机基础反应的控制效果有显著差异。     

海上风电塔架-筒型基础结构流激振动响应分析

从海上风电塔架和基础结构的设计出发,首次通过简化风机叶片和轮毂,并考虑基础和地基的限制作用,建立简化风机-塔架-基础-地基整体模型,分析塔架-钢混组合结构筒型基础的振动特性,并研究该整体模型在风荷载下的流激振动响应状况。既验证了近海滩涂地区采用钢混组合结构筒型基础的可行性,又为海上风电塔架-基础结构的设计、安全鉴定提供重要的参考手段。     

海上风机基础超单元计算方法对比研究

开展了随机风荷载作用下海上风机整体和半整体计算方法及半整体模型超单元计算方法对比研究。运用ＡＮＳＹＳ建立五桩与单桩风机基础模型并提取基础总刚度和质量矩阵，利用ＭＡＴＬＡＢ分别编写Ｃ－Ｂ法和ＳＥＲＥＰ法的凝聚程序得到超单元矩阵。基于整体方法和半整体方法进行结构的动力特性及动力响应对比。通过对比发现，在基础超单元选取合理的前提下，该方法得到的海上风机结构响应基本与整体耦合分析方法计算结果一致。进一步对比可得，所选取的Ｃ－Ｂ方法和ＳＥＲＥＰ方法虽然凝聚原理不同，不过所得到的基础结构超单元均能够准确模拟随机风荷载作用下转子－机舱－塔筒结构运动响应。     

复杂荷载作用下海上风机故障停机分析

以10 MW固定式海上风机为研究对象，建立了风-浪-地震-故障海上风机整体耦合模型，模拟了发电机断网引发故障停机的过程，利用时频分析方法探究了该过程中海上风机结构响应机理。结果表明，风浪作用时结构响应的控制频率为风频和波频；地震作用时结构响应显著增加，海上风机的二阶频率成为控制频率；故障停机时结构响应进一步增大，顺桨停机显著激发了海上风机的基频，揭示了海上风机结构的安全性设计应充分考虑此类故障停机情况。     

风、浪、流荷载联合作用下海上升压站结构动力响应研究

台风作用引起的极端荷载对海上升压站的安全性构成了极大的威胁。基于有限元软件建立海上升压站计算模型,采用线性滤波法的AR模型模拟脉动风,采用线性波浪叠加法及改进的JONSWAP谱模拟随机波浪场,研究了结构的自振特性和风、浪、流荷载作用下结构的动力响应特性。结果表明：海上升压站结构的各阶自振频率均不在共振频率影响区域,可以保证结构不会与波浪发生共振;结构的响应随着波浪重现期或者台风风级的增大而增大,风荷载是海上升压站结构的主控荷载;风、浪、流荷载联合垂直作用于结构轴面时,会产生极端应力、位移响应,结构设计时应当在支撑柱交接部位进行加强处理。     

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。     

海上张力腿风电平台结构水动力特性研究

采用高阶边界元法建立数值模型,开发了风、浪、流耦合作用时域程序,在时域内对不同风、浪、流入射工况下张力腿平台风机支撑结构的水动力特性进行研究.计算结果表明:风荷载对张力腿风机结构的作用力与波、流作用力同样显著,风、浪、流耦合荷载最大值大于波流力最大值,以风荷载为主要荷载进行风浪流组合得到的计算结果偏安全.     

台风环境中海上风电管桩基础动响应特性研究述评

我国海上环境恶劣，极端天气容易导致风机倒塌。现有研究表明，台风环境下，“土塞 －管桩 － 桩侧土”的相互作用和动力响应特征，是决定风电支撑体系服役寿命的关键因素。为深入研究海上风电 基础的动力响应，对土塞的形成机理及其与管桩的相互作用做了基本论述，介绍了水平荷载下桩土相互 作用的研究现状，探讨了海洋环境下单桩支撑体系固有频率演变和土体循环弱化特性的联系。最后，总 结得出台风环境下敞口桩动力响应研究现状的不足之处，为今后的研究方向提供了参考。     

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。     

考虑外平台影响下海上风机单桩基础结构地震动力响应分析

随着海上风机单桩基础的广泛应用，分析单桩基础及其附属结构在地震荷载作用下的动力响应具有重要意义。为此，采用ABAQUS有限元分析软件建立了单桩-外平台整体结构模型，采用粘弹性边界法模拟地震荷载施加，分析了地震作用下整体结构的动力响应情况，并探究了外平台对单桩自振特性及响应的影响。研究结果表明：地震荷载作用下，单桩-外平台整体结构的应力最大值出现在工作平台和支撑杆连接处，水平位移最大值出现在顶部工作平台上，牛腿应力和位移相对较小；外平台对单桩的自振频率具有减缓增大的作用，可降低基频，且会小幅度增大单桩基础应力，对单桩基础的稳定工作不会产生较大影响。     

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。     

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。     

海上风电基础结构疲劳寿命分析

针对海上风电基础结构疲劳损伤、疲劳寿命评价方法展开研究.区分疲劳荷载为单级疲劳荷载和多级疲劳荷载联合作用两种情况,考虑渐增型、往复型和正弦波型3种疲劳荷载作用方式,借助三桩导管架式海上风电基础,采用基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累计损伤法则的疲劳寿命估算方法对疲劳荷载作用下的结构疲劳损伤进行了计算,对结构整体寿命进行了评价;对单级疲劳荷载或多级疲劳荷载联合作用时,3种作用方式作用下的基础结构进行了疲劳分析,定义疲劳极限与疲劳荷载造成的应力水平的比值为安全系数,用以量化基础结构各部位或部件的抗疲劳能力,同时验证了加载顺序对于结构的锻炼效应.结果表明:基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累计损伤法则的结构疲劳寿命估算,其依托的应力水平是单独获得的,忽略了加载顺序的影响;渐增型、往复型及正弦波型3种疲劳荷载作用形式对结构疲劳寿命的影响渐趋恶劣;由高到低的加载顺序对结构造成的损伤比由低到高的加载顺序要严重.     

单桩基础抗冰锥设置引起波浪载荷增幅研究

我国渤海及黄海北部海域海洋环境复杂多变,冰载荷及波浪载荷同时成为风电风机桩的控制载荷。工程中一般安装抗冰锥体结构以提高其抗冰性能。然而抗冰锥的设置加大了基础的水线面面积,波浪载荷急剧增加。为有效评估波浪载荷的增幅,以海上风机单桩基础为研究对象,采用SACS数值计算软件,分析不同桩径的单桩基础由于设置不同锥角的抗冰锥结构引起的波浪力增幅,为单桩基础抗冰锥结构的设计提供指导及参考。     

海上风电桩基局部冲刷试验研究

风电桩基既承担风机自身荷载,又受到叶片转动的侧向压力,桩基稳定性至关重要。海上风电桩基不仅受潮汐双向水流和波浪共同作用的影响,而且桩基尺度介于通常的桥墩和码头桩基之间,局部冲刷具有一定特殊性。通过建立1∶60的正态模型,研究了洋口海域海上风电桩基在波浪、潮流及波流共同作用下的局部冲刷。结果表明:潮流是控制该海域桩基局部冲刷的主导因素;往复流作用下的冲刷坑形态呈椭圆形,最大冲刷深度约为恒定流的80%;当波流共同作用时,由于桩前波浪振荡水流的作用,泥沙较水流作用时更易起动,局部冲刷显著增强,最大冲刷深度为潮流和恒定流作用下的2.0与1.7倍;韩海骞公式计算值按照系数0.75折算后与波流作用下的桩基冲刷深度试验值较为吻合。根据试验结果,建议对桩基周边局部冲刷坑进行抛石防护,确保海上风机的安全稳定。     

大型海上风机施工短暂工况下的模态分析

海上风电建设中常因异常气象干扰发生施工中断,出现叶片延期安装等施工短暂工况,需重视此类工况下机组的结构安全。依托某海上风电工程,提出了一种机组整体建模方法,采用Block Lanczos法对机组展开模态分析,研究了各施工短暂工况下机组自振特性,并分析了机舱对机组自振频率的影响。数值分析结果表明,在风轮延迟安装工况下,机舱转动惯量及偏心对结构高阶模态影响较为明显;相比于整机工况,各施工短暂工况下,结构模态自振频率均出现较明显提高,不存在波浪荷载激励下的共振风险。     

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。