海上三桩风机基础简化及荷载响应对比分析

三桩基础(Tripile Foundation)是一种新型的海上风机支撑结构,广泛适用于地质相对复杂、水位较深的风场。文章理论分析了海上风机基础桩—土相互作用简化方法,运用ANSYS建立3维有限元模型,考虑不同种地基约束简化方法,对单机3 MW三桩基础在不同方向极限荷载作用下进行数值分析。结果表明:三根桩非平均承担结构荷载,不同方向荷载作用结构响应呈规律性变化,荷载为0°方向时结构位移最大,荷载为20~30°方向时结构应力最大。实际工程计算时,需运用不同简化模型进行对比校核,重点考虑基础单桩主受拉、单桩主受压及20~30°荷载方向。     

近海深水区混凝土半潜型浮式风机一体化计算与耦合动力特性分析

[目的]文章旨在探索10 MW级半潜型浮式风机的一体化计算方法并分析其在40～50 m近海深水区的耦合动力响应特性。[方法]以10 MW混凝土半潜型浮式风机为例,构建一体化时域数值计算模型,统计分析其额定发电和极端工况下的平台动力响应和系泊张力特征。[结果]平台水平运动主要受波浪荷载、风荷载和系泊刚度特性的影响,最大水平运动和系泊张力发生在生存工况,垂向运动主要受波浪荷载影响,摇摆运动的均值主要受风荷载影响,上述浮式风机动力响应均满足设计指标。[结论]一体化数值计算方法较好地考虑浮式风机耦合动力特性,由于水深限制,近海深水区的海上漂浮式风机对水平运动约束和系泊非线性问题的优化更为重要,响应极值主要发生在极端工况,上述结论为此类漂浮式海上风机基础结构的研究与设计工作提供了一定的参考。     

新型海上风电支撑结构设计与分析

为解决海上风电基础结构存在的材料强度利用率低、应力集中等问题,提出一种新型桁架式海上风电支撑结构.建立设计水深为10m的三维有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件首先进行结构模态分析,得出固有频率值,以确定结构不会与风机的工作频率耦合发生共振.对包括风机运转载荷在内的6种不同工况进行静力和动力分析,得到静力分析结果和单元的时程曲线,与传统的单柱式进行比较,结果表明:新型海上风电支撑结构动力分析结果与静力相比,顶部最大位移增大0.002m,最大yon Mises应力增大2.3MPa,低于相同刚度单柱式结构的0.026m、25.7MPa,具有良好的动力性能.     

冰区海上风机基础设计中的冰荷载研究初探

冰荷载参与组合的工况往往成为冰区海上风机基础设计的控制工况。通过对冰荷载计算方法、冰激振动研究、冰振疲劳分析和抗冰结构设计的相关介绍,明确了海上风机基础设计中开展冰荷载研究的必要性,为海冰作用对基础设计的影响评估提供了理论依据和技术路线指导。     

新型竖轴潮流发电支撑结构的力学及模态分析

针对新型竖轴潮流发电支撑结构进行精细化建模,在3种不同工况下对结构进行线性静力分析,并在极端工况下对结构进行几何非线性静力分析,最后对结构整体进行模态分析。研究表明,几何非线性静力分析更接近实际情况,分析得到的最大应力比线性静力分析得到的最大应力略大;需注意杆件交点处或结构不同部位组合连接处,该处结构应力最大;水轮机正常运转时的频率不在结构自振频率范围之内,因而不会发生共振。     

海上风力机高桩承台基础反应特性研究

采用ANSYS建立由实体单元、壳单元、杆单元和管单元组成的海上风力机高桩承台混合模型。对极端工况下高桩混凝土承台进行有限元分析,得到承台混凝土和钢结构应力分布模型。通过对不同荷载组合下混凝土拉应力超限区域分布对比得到海上高桩承台基础结构在风力机荷载作用下的反应特性。结果表明:桩基础结构应力主要受波流荷载影响,塔筒过渡段结构应力主要受风力机荷载影响。高桩承台基础最易发生破坏结构为混凝土承台,在风力机荷载和波流荷载联合作用下,混凝土承台拉应力超限区主要分布在法兰盘受压区混凝土和钢管桩管壁处填芯混凝土。风力机上部结构产生的风力机荷载使高桩承台迎水面填芯混凝土处和与中心法兰盘接触处的混凝土拉应力超限;在波流荷载作用下,该超限区中高桩承台与风力机塔筒连接处和迎水面填芯混凝土处的拉应力超限区域减小。     

深水海上风电三筒导管架基础受力及浮运分析

以中国福建某较深海域风电场为背景,提出一种海上风电宽浅型三筒导管架基础结构,继而通过建立考虑分层土体的基础整体有限元模型,对分层土中宽浅型三筒导管架基础静动力特性及浮运稳性展开研究。研究结果表明,正常荷载作用下此基础结构法兰倾斜率为3.98‰,满足规范要求：极限荷载作用下,基础结构各部位应力满足要求;基础-塔筒-机组整体共振校核满足要求：基础可在4级风浪以内的海况下进行自浮远距离拖航浮运;等效疲劳荷载作用下,基础结构疲劳损伤满足要求。     

新型海上风电基础结构空间三维数值模拟研究

  [目的]  为迎对海上风电快速发展的趋势,亟需开发新型海上风电基础结构形式以满足大水深和深厚软基的设计需求。  [方法]  结合某海上风电工程基础设计为算例,以PLAXIS 3D大型有限元软件为平台,对一种新型大直径钢圆筒组合导管架风机基础结构进行空间三维弹塑性数值模型分析研究,采用合理可行的本构类型以及简化形式模拟风机基础的整体稳定性,考虑钢圆筒与土体之间的共同作用,分析风机基础的内力与位移;再用ANSYS软件建实体模型计算极限荷载工况下各构件的应力。  [结果]  研究结果表明:新型组合式风机基础内力和位移均可控,在理论上可适用于软基和深水区海上风电场建设。  [结论]  分析结果对今后新型海上风电基础结构的开发与研究具有一定的参考意义。     

偏心受压风力机基础的倾斜计算

《FD003—2007风电机组地基基础设计规定(试行)》规范中要求计算风力机基础的倾斜量,但未给出明确的计算方法,如何准确地计算风力机基础的倾斜成为风机设计人员急需解决的问题。以实际工程为例,给出偏心受压风力机基础正常运行工况及极端荷载工况下的倾斜计算的具体算法,希望能为广大风机基础设计人员提供有益帮助。     

某坝后式厂房的静动力分析

金沙江某坝后式大型水电站位于地震高烈度区,分析其厂房结构在静、动力作用下的内力分布,对工程设计意义重大。采用大型三维有限元软件ANSYS建立厂房结构模型,并进行三维有限元动静力分析。静力计算中考虑正常蓄水位、校核洪水位、检修三个工况,得到结构应力与位移分布。动力计算采用block lanczos法进行模态分析,得到厂房整体结构的自振特性,提取前10阶振型,并将动力计算结果与静力计算结果进行叠加,分析和评估厂房结构各部位的动静变形和应力。结果表明,厂房结构刚度设计合理,部分区域出现应力集中现象,需提高强度,为类似工程提供了参考。     

海况条件对海上风力发电机组载荷的影响

文章针对海况条件对海上风力发电机组载荷的影响,以某5 MW海上机组为例,介绍海浪、海流和潮汐在载荷计算过程中采用的理论方法和支撑结构建模方法,对支撑结构和海浪能量分别进行模态分析和频谱分析,同时根据GL2005标准对极限载荷和疲劳载荷分不同情况分析,结果表明海况条件对海上机组的塔筒底部影响较大,对机组其他关键零部件影响很小,为大型海上机组关键零部件选取提供依据。     

台风-浪-流耦合作用下海上风力机基础结构水动力特性分析

为揭示台风-浪-流耦合作用下风力机基础结构的水动力特性,以广东外罗10 MW级海上风力机为研究对象,基于模式耦合器（MCT）建立中尺度台风-浪-流（W-S-F）实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变特性;再结合中/小尺度嵌套方法分析风力机单桩基础水动力荷载分布特性;提出不同波浪相位下基础柱极值荷载模型。结果表明：建立的W-S-F平台对台风路径的模拟精度较单WRF模式提高42.51%;台风-浪-流耦合作用下基础柱水平波浪力正峰值增大约20%,负峰值减小约18%,并沿水深方向呈指数型变化规律,周向沿180°波向角呈对称分布;T4相位为风力机基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10⁶量级,基底弯矩最大达5.2×10⁸量级。     

Centrifuge modeling to evaluate natural frequency and seismic behavior of offshore wind turbine considering SFSI

Understanding of dynamic response of offshore wind turbine is important to reduce vibration of offshore wind turbine induced by structural and environmental loadings. Although dynamic characteristics of the offshore wind turbine such as natural frequency and seismic behavior are affected by foundation and soil conditions, there are little experimental studies about the dynamic behavior of offshore wind turbine with consideration of proper soil–foundation–structure interaction (SFSI). The goal of this research is to evaluate the natural frequency and seismic behavior of offshore wind turbine with a monopod foundation considering SFSI. Scaled model of offshore wind turbine and monopod foundation is produced for this research. Geotechnical centrifuge tests in fixed‐based and SFSI condition were performed to measure natural frequency in each case. Also, a series of seismic loadings with different intensities are applied to observe seismic behaviors of the offshore wind turbine during the earthquake and permanent changes after the earthquake. Experimental results show apparent natural frequency reduction in SFSI condition compared with the fixed‐based condition, non‐linear changes in dynamic response during a series of earthquakes and permanent changes occurred in natural frequency and rotational displacement after earthquakes. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

风浪入射角对漂浮式风力机动态响应影响研究

采用开源软件FAST并结合多体动力学方法,以驳船式(ITI Energy Barge)平台5 MW海上漂浮式风力机为研究对象,研究海上漂浮式风力机塔架与平台结构在风浪不同入射角下6个自由度大小与幅值变化,并分析风力机塔架与塔基在风浪入射角度不一致工况下的动态响应;将模拟所得数据在Matlab语言编辑的Mlife程序中运行,进而得到风力机等效疲劳载荷(DEL)。结果表明:平台6个自由度中,纵荡和纵摇随来流风速的变化最为显著;海上风力机的DEL不仅与风浪载荷大小有关,与其方向也有着密切关联;来流风、浪载荷之间的夹角较小时,风力机塔架和塔基的DEL相应较大。研究结果对海上Barge平台结构的设计与安装具有一定的参考价值。     

极端风况下双转子风力机降载复合控制策略

为降低双转子风力机在极端风况下的大波动载荷,基于双转子风力机气动与控制仿真系统,提出了基于独立变桨自抗扰控制器和偏航模糊控制器的降载复合控制策略,并分析了正常风况和极端风况下该策略的控制效果。结果表明：与传统PID独立变桨控制相比,在极端运行阵风和极端湍流模型下,独立变桨自抗扰控制方法使叶根挥舞弯矩标准差减小18%以上;与传统恒速偏航控制相比,在极端风向变化下,偏航模糊控制方法使偏航轴承滚动力矩标准差减小约27%。降载复合控制策略有效降低了极端风况下双转子风力机的大载荷,抑制了功率波动。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。     

多工况下漂浮式风力机张力腿平台时域响应及系泊强度分析

为研究漂浮式风力机张力腿平台在风、浪、海流载荷联合作用下的时域响应及系泊受力特征,建立漂浮式风力机及张力腿平台模型,采用有限元方法,对比分析无风、额定、最大及极限工况下张力腿平台运动响应及系泊受力。4种工况作用下,极限停机工况时漂浮式平台运动响应最大,最大作业工况其次,额定作业工况再次,无风作业工况最小;但在最大工况时系泊作用力最大。结果表明:运动响应主要集中在纵荡,垂荡和纵摇方向;作业工况越恶劣,漂浮式平台运动响应越大;系泊张力在最大作业工况时最大,但小于系泊断裂极限。     

Ship collision impact on the structural load of an offshore wind turbine

When a maintenance and operations ship is berthing, there is a chance the ship may collide into the wind turbine. When these ships collide into wind turbine structures, this can result in significant changes to the foundation and structure of the wind turbine. In this paper, the structural load of a 4 MW offshore wind turbine was analyzed during a collision with an operations and maintenance ship. The variations in the wind speeds on hub height, waves, and the sea currents were measured. The dynamic simulation of the wind turbine was carried out using the test data as the input parameters. As a result, the load condition of the turbine without a collision was obtained. Finally, the measured turbine load was compared with the simulation results. This study shows that the collision of the operation and the maintenance ship increases the bending moments at the tower’s bottom and the blade’s roots.