长期水平荷载对单桩式海上风机结构自振频率的影响分析EI北大核心CSCD

海上风机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,从而引起地基刚度变化,海上风机结构体系属于动力敏感型结构,预测其自振频率的长期变化具有非常重要的工程意义。基于动力运动方程,考虑了桩土相互作用,通过嵌入地基刚度衰减模型考虑长期循环荷载引起的地基刚度变化,建立了单桩式海上风机结构自振频率的简化计算方法,利用实际工程和数值模拟验证了方法的可行性。最后通过开展参数分析,探讨长期循环荷载大小、加载次数对海上风机结构自振频率的影响规律;结果表明,循环荷载的增大、加载次数的增加会导致海上风机结构体系自振频率较小,风机结构体系的自振频率应偏移1P;该方法可以评估长期循环荷载下单桩式海上风机结构自振频率的变化,为近海风机结构自振频率的设计提供参考。     

桩顶固定且部分桩体埋入黏弹性地基中时桩的自振特性分析

将回传射线矩阵法推广至桩土系统的振动分析中,采用基于Timoshenko梁理论的Winkler地基模型,运用回传射线矩阵法及求根法求解桩顶固定且部分桩体埋入弹性地基中时桩的自振特性,并与基于有限元分析软件SAP2000的计算结果比较,验证利用回传射线矩阵法求解埋置结构自振特性的有效性和计算精度。同时,分析桩顶固定且部分桩体埋入黏弹性地基中时土体弹簧系数及土体阻尼系数对桩基自振频率和振型的影响。结果表明:随着土体弹簧系数的增大,埋置结构的各阶自振频率增大,土体弹簧系数对衰减系数没有影响,对埋置结构振型的影响较小;随着土体阻尼系数的减小,埋置结构的各阶自振频率增大,衰减系数相应减小,土体阻尼系数对埋置结构的低阶振型影响尤为明显,对高阶振型的影响较小。     

三桩基础海上风机整体结构的共振分析

该文对三桩基础的海上风力发电整体结构进行了共振分析。通过有限元软件ANSYS,建立了海上风机整体结构的有限元模型,进行了模态分析,得到了前十阶的自振频率和固有振型。然后分析了引起结构振动的主要振源,计算了这些振源的振动频率,将其与海上风机整体结构的自振频率进行了共振分析。结果表明各种主要振源不会引起海上风机整体结构的共振。     

单桩基础海上风机横向自振频率求解及参数敏感性分析EI北大核心CSCD

梁理论的合理选择对风机横向自振频率的求解意义重大。以往提出的海上风机自振频率计算方法都基于某一种梁理论,且缺乏各参数的敏感性分析。为了对比不同梁理论对风机自振频率求解的影响,采用回传射线矩阵法,分别基于Bernoulli-Euler梁、经典Timoshenko梁和修正Timoshenko梁理论,提出海上风机横向自振频率计算方法,通过实测数据验证了该方法的准确性,并综合对比各参数的敏感性。研究结果表明:Bernoulli-Euler梁理论未考虑剪切变形与转动惯量,自振频率计算结果略大于Timoshenko梁理论;剪切变形引起的转动惯量可以忽略不计,修正Timoshenko梁理论与经典Timoshenko梁理论计算结果一致,但物理意义更加清晰;基频对塔筒结构参数的敏感性最高,其次是连接段与桩基;基频对塔筒高度的敏感性最高,对海床高度与叶轮机舱组件质量的敏感性较高,壁厚变化对基频的影响不显著。     

三桩基础海上风机结构的比较分析

该文研究三桩基础海上风机的各部分结构分别对整体发电结构自振特性的影响。用有限元软件ANSYS分别建立了三桩基础海上风机的5种有限元模型,分别从自下而上和自上而下2个方向分析了海上风机的基础、塔筒、叶片分别对整体发电结构自振特性的影响。结果表明叶片对整体发电结构自振特性的影响最大,塔筒的影响比较大,基础的影响最小。     

渡槽桩-土-槽墩相互作用模型模态实验研究

通过采用自制的传感器布设装置,把加速度传感器放入钢管桩内,采用子结构技术把结构分为两个子结构,对打入实际土层的钢管桩进行了横向位移模态的测试,同时,对槽墩也进行了模态测试实验。实验结果表明槽墩与桩有着相同的自振频率,并且组合形成了桩-槽墩系统振动模态。采用大型通用有限元软件ABAQUS进行了桩-槽墩系统的自振特性分析,有限元计算中对桩-土相互作用采用了简化模拟的方法,计算结果与试验结果基本吻合;并同刚性地基模型进行比较,其结果显示,在渡槽的设计中不能忽略桩-土相互的作用。     

与黏弹性地基相互作用的单桩的自振特性分析

将回传射线矩阵法推广至桩土系统的振动分析中,利用MATLAB语言编程,借助求根法对二维复数超越方程进行迭代求解,通过数值算例,对比分析黏弹性地基中桩的外露长度、埋置深度、桩端约束情况对自振频率、衰减系数和模态的影响。结果表明:随着外露长度越长,埋置结构的各阶自振频率和衰减系数越小;随着埋置深度越深,埋置结构的各阶自振频率越小,衰减系数越大;埋置部分的横向位移明显小于外露部分的横向位移;桩顶固定边界下单桩的各阶自振频率最大,桩顶自由边界下单桩的各阶衰减系数最小;桩顶自由工况下单桩各阶振型峰值相对其在桩顶铰接和桩顶固定工况下的振型峰值较小。     

考虑桩-土作用及冲刷影响的海上风电结构损伤检测研究

海上风电结构长期服役于恶劣的海洋环境中，损伤不断累积，严重时导致整体失效。现有损伤检测方法可以识别结构损伤，但未考虑桩-土作用、冲刷效应对结构动力特性的影响，若直接应用于实际工程容易导致损伤误判。基于交叉模型交叉模态(cross-model cross-mode, CMCM)法，考虑桩-土作用和冲刷效应，优化了桩基的边界条件，发展了CMCM结构损伤检测方法。建立了单桩-土体有限元模型，结合已有试验数据，验证了砂土地基条件下数值模型及检测方法的可靠性。进一步地，研究了桩-土作用、冲刷效应对整体结构模态的影响，并基于不同地基假定的基准模型，对数值模型中的结构损伤进行检测。结果表明，考虑桩-土作用、冲刷效应后的地基刚度降低，从而导致结构频率降低、模态振型改变；该模型边界更符合实际工程地基状态，排除导致误判的干扰因素后，结构损伤位置、程度均可被准确识别，提升了CMCM方法的准确性和工程适用性。     

近海风力发电机基础桩群潮汐水动力脉动特性试验研究

近海风电机组基础较多采用圆柱高桩混凝土承台结构,潮汐水动力作用可能激励风机-塔架-基础桩高耸结构的振动而影响安全,该文通过水力学模型试验研究8圆柱基础桩群潮汐水动力脉动特性。结果表明:脉动压力可视作平稳的随机过程,时域幅值特征表现出与单圆柱差异较大的特点,频域能量特征揭示了水流的脉动主频和旋涡脱落频率。     

长期反复荷载作用对海上风电单桩基础的影响分析

国内外已建成的海上风电通常采用大直径单桩基础,需承受多种复杂外部荷载,如风荷载、波浪荷载和潮流荷载等。在长期反复荷载作用下,单桩基础产生累积变形,侧向刚度发生变化,而这些性能的变化会对海上风电整体安全性产生重要影响。对于这个问题,目前设计中采用规范给出的简化设计方法考虑长期反复荷载的影响,即在传统的p-y曲线上乘以一个降低系数,而没有针对海上风电大直径单桩基础给出具体的设计方法。鉴于p-y曲线是基于较小直径桩试验结果所得,对于大直径桩是否安全可靠,还需要验证。鉴于此,采用文献提出的桩周边土体在反复荷载作用下变化的简化模型,建立了整体三维有限元模型,考虑长期反复荷载作用对桩周边土性能的影响,以一实际海上风电案例为背景,研究长期反复荷载对海上风电基础自振频率和桩体变形性能的影响以及参数敏感性分析,分析结果对海上风电单桩基础设计有一定的参考作用。     

台风非平稳性对钢格构浮式基础海上风机动力响应影响研究

该文提出了一种用于海上风机的新型钢格构式浮式基础,研究了台风作用下新型钢格构式浮式基础的动力载荷和动力响应。根据美国可再生能源实验室的5 MW风电机组参数初步设计了一种新型的钢格构式浮式基础;采用Holland台风模型和超强台风“山竹”(1822)的实测数据,基于叶素动量理论、势流理论和Morison方程分析了台风-浪荷载联合作用下的浮式基础动力响应特性。结果表明:该文提出的钢格构式浮式基础的动力载荷和运动响应会受到台风作用的显著影响,强台风及台风过境工况下的响应显著大于稳态强风工况,并呈现出剧烈的非平稳性。浮式基础动力载荷和运动响应与环境风速变化的趋势一致,且当风向不断变化,将引起塔筒底部产生较大的扭矩,海上风机浮式基础产生较大的艏摇运动响应。证明了考虑台风作用对钢格构式浮式风机基础稳定性影响的必要性,为钢格构式浮式基础海上风机在台风作用下的安全评价提供了理论依据和分析方法。     

基础冲刷对海上风电场塔架支撑系统动力特性的影响分析

针对海上风力机塔柱支撑结构受到土基、海洋流体的复杂作用的特点,建立三维有限元数值模型,开展不同海床冲刷深度条件下支撑系统结构的动态特性,探讨其变化规律,为海上风力机支撑系统的动力稳定设计提供科学依据。     

基于二次参数化技术的风电机组序列化建模

针对常规建模方法在庞大复杂风电机组应用上的不足,在建立单台风电机组全参数化模型的基础上,以风电机组序列整体为研究对象,根据同序列不同功率机组之间各零部件设计参数变化规律,研究应用二次参数化技术和参数序列化方法实现了高效的风电机组模型建立与管理;并结合三维模型参数驱动技术,研发了风电机组序列建模系统,可有效减少建模和造型工作量、降低设计失误率、提高设计效率,验证了该建模方法的正确性与合理性。     

A probabilistic analysis of the dynamic response of monopile foundations: Soil variability and its consequences

The reliability of offshore wind turbines is highly influenced by the uncertainties related to the subsoil conditions. Traditionally, the evaluation of the dynamic structural behaviour is based on a computational model with deterministic soil properties. Using this approach, however, provides limited insight into the variation of the estimate of the inherent modal properties and loads. In this paper, a comprehensive study is performed on the dynamic behaviour of an offshore wind turbine installed on a monopile foundation. Based on consistent lumped-parameter models calibrated to semi-analytical impedance functions of a monopile embedded in a stochastic linear viscoelastic soil layer, fully coupled aero-hydro-elastic simulations are conducted in the nonlinear multi-body code Hawc2. The probabilistic analysis accounts for the uncertainty of soil properties (e.g. damping and stiffness) and relies on a Monte Carlo method facilitating the derivation of the probability densities of the modal properties and the fatigue loading. The main conclusion of the presented work is that the dynamic structural behaviour of the wind turbine and its support structure is strongly affected by the stochastic soil properties. Lognormal and Gumbel distributed modal damping and accumulated side–side fatigue damage equivalent moments with a coefficient of variation of 30% and 8%, respectively, are observed.     

海上风机单桩基础受船舶撞击的数值研究

目前国内没有海上风机受船舶撞击的相关规范和损伤评估标准,以国内某单桩基础海上风机为例,运用LS-DYNA软件从能量变化、最大撞击力和风机响应角度对风机受船舶撞击过程进了分析,并提出面积受损率来评估风机受损程度。分析结果显示:船舶初始动能在分别不超过约35 MJ、35 MJ、25 MJ时,最大撞击力与船舶质量的1/3次方、速度、撞击角度的正弦值成线性关系,超过时线性关系不再明显;面积受损率能合理反映单桩基础的受损区域和受损面积。     

Study on Hydraulic Transmission of Offshore Low-speed Wind Energy Generator

For offshore hydraulic drive wind turbines, the problems of unsatisfactory speed control and low efficiency at low wind speeds are targeted. A low-speed high-torque radial piston pump is designed to replace the traditional fixed pump with a particular focus on its low-speed performance. The pump is characterized by small internal leakage at low wind speeds and high volumetric efficiency, which is beneficial to improve the power generation efficiency of the system. A new linear control method based on the PID algorithm and feedforward compensation was proposed to obtain the constant speed output control of variable motor at low wind speed. With the model for wind turbine and fixed pump-variable motor main drive system, the system was simulated and experimentally proved to verify the feasibility and anti-interference performance of the system control method at low wind speeds. A promising outcome was obtained on the response characteristics of system power and efficiency at low wind speeds. This can be a powerful technical support for the normal ustility of hydraulic drive wind turbines.     

海上风电大尺度顶承式筒型基础承载力特性有限元分析

与现有的海上风电传统筒型基础相比,新型筒型基础——大尺度筒顶承载式筒型基础凭借其特有的宽浅式筒顶承载模式和更大的承载能力已经越来越受到关注。所以,合理地建立此类新型筒基基础的极限承载力和地基的破坏包络面,分析其承载特性,对于该基础结构设计和实际应用过程中的安全性和稳定性研究起着重要的作用。通过大型有限元软件ABAQUS,利用位移加载控制方法﹑Swipe试验加载方式和荷载-位移联合控制搜索方式,对5MW海上风机大尺度筒型基础的两种典型形式进行承载力特性弹塑性分析和对比,得出在单方向荷载单独作用下,弧线型筒型基础的极限承载力比直线型高出6%~8%,在荷载组合作用下,弧线型筒基比直线型有更广泛的三维破坏包络面,即弧线型筒基在各个方向上的极限破坏值,都要比直线型的要大,表现出更好的承载性能;同时对两种大尺度筒型基础的破坏模式进行分析。研究结果为进一步的基础结构选型和优化设计提供参考依据。     

考虑系缆拉伸-弯曲-扭转变形的浮式风力机动力响应研究

考虑系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形产生的非线性系泊力,研究海上浮式风力机系统的动力响应。考虑系缆非线性几何变形,建立系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形的动力学分析模型。建模过程中,采用了四元数方法进行局部坐标系与全局坐标系之间的旋转,避免了旋转过程中奇点的产生。综合考虑系缆非线性系泊力、水动力、空气动力及风力机结构系统,建立了系统动力学分析模型,开发了考虑系泊系统非线性系泊力的系统动力响应计算程序。针对OC3 Hywind Spar型5 MW浮式风力机,分析额定作业海况与极限海况下风力机系统的动力响应,并将结果与系泊系统采用准静态悬链线方法的模拟结果进行了对比。结果表明,考虑拉伸-弯曲-扭转变形效应后,系泊缆张力的波频响应被放大,同时还出现了多个高频峰值,将对系泊缆的疲劳寿命计算产生影响。     

基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析

以某5 MW特大型风力机为例,提出了风力机全机结构风振疲劳的时域分析方法。采用谐波合成法和改进的叶素-动量理论产生了风力机运营状态的气动载荷,对风力机塔架-叶片耦合结构进行了非线性风振时域分析。基于时程结果并结合线性累积损伤理论对风力机全机关键部位的风振疲劳寿命进行了预测,该方法充分考虑了风剪切、塔影、尾流影响、塔架-叶片之间的气动和模态干扰作用、叶片旋转效应的影响。算例分析表明,该文预测方法可有效估算水平轴风力机全机结构的疲劳损伤问题,相关研究结论可为超大型风力机全机结构的疲劳寿命预测提供科学依据。     

海上风电场建设重大工程问题探讨

三峡集团公司承担了国家"十一五"科技支撑计划项目中近海风电场选址及风电机组运行、维护技术开发和近海风电机组施工、测试专用设备的研制等有关课题的研究工作,在江苏近海和潮间带建设了多台具有自主知识产权的试验风机。通过研究测风、风资源评估、基础结构、运输吊装、运行维护等海上施工关键技术,以及推动大型海上风力发电机组的研发,探索降低海上风电开发成本的措施。以海水淡化为切入点,开展风电的非并网应用研究,寻求解决风电消纳问题的新方法。