随机风场作用下海上风力机基础结构疲劳分析

运用FAST分别建立海上风力机半整体模型与整体耦合模型,计算得到脉动风速时程作用下塔筒顶部位置的风力机荷载。首先采用SACS建立包括塔筒和基础结构的海上风力机简化有限元模型,分别施加基于半整体和整体耦合模型得到的风力机荷载时程,开展支撑结构动力响应计算;再采用海上风力机规范建议的热点应力公式确定基础结构管节点的热点应力时程,采用P-M线性累积准则完成海上风力机基础结构疲劳分析。基于半整体模型与整体耦合模型的疲劳损伤对比得出,有必要采用整体耦合模型开展海上风力机基础结构疲劳校核。     

考虑桩基础柔性的地震风浪作用下海上风力机结构耦合响应机理研究

基于FAST海上风力机整体耦合分析理论和桩基线性化理论,建立包含桩基础柔性的海上风力机基础结构的整体耦合运动方程。进而,通过对FAST v8进行二次开发,同时考虑桩基础柔性,建立包括转子机舱组件-风力机塔筒-基础结构的海上风力机在地震、风、浪荷载作用下的结构耦合仿真模型。根据建立的整体耦合数值仿真模型,开展地震、风、浪荷载联合作用下海上风力机动力响应研究,着重探讨桩基础柔性对于海上风力机结构在地震组合工况下的动力特性及耦合响应机理的影响。结果表明,桩基础柔性对于海上风力机结构动力特性有显著影响。与耦合弹簧边界相比,当忽略桩基础柔性时,会低估整体结构二阶频率对于地震作用下塔顶位移响应的影响,并在基底倾覆力矩响应中激发高阶模态,造成海上风力机结构动力响应变化规律的显著差异。因此,在海上风力机结构抗震设计与研究中必须考虑桩基础柔性的影响。     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

基于整体耦合模型的海上风机结构桩-土相互作用影响研究

为了研究桩-土相互作用对于海上风机结构耦合运动响应的影响,文章依据海上风机整体耦合分析理论和结构动力学理论,推导建立了随机荷载作用下包含桩-土相互作用的海上风机基础结构耦合运动方程。通过对数值仿真软件FAST v8进行二次开发,建立了包含转子机舱组件-塔筒-基础结构-桩-土相互作用的海上风机整体耦合计算模型,其中桩-土相互作用等效为线性耦合刚度矩阵。通过开展固定边界、弹性边界条件下海上风机结构耦合运动响应对比,验证了桩-土相互作用对于海上风机结构动力特性及运动响应变化规律的影响。结果表明,桩-土相互作用对于海上风机结构特征模态存在显著影响,尤其对于高阶模态。此外,在随机荷载作用下,与固定边界条件相比,考虑桩-土相互作用后,海上风机结构耦合运动响应明显增大。     

地震、风、浪作用下融合海水养殖的海上风力机耦合响应机理研究

为实现海洋空间立体化,最大化经济产出,提出一种单桩基础海上风电机组（OWT）融合海水养殖的新型增殖型海上风电机组结构（MOWTAC）。该研究提出基于时域耦合数值仿真工具FAST v8的新型增殖型海上风力机水动力计算模型,建立新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下的整体耦合计算模型。进一步,开展地震组合工况作用下新型增殖型海上风力机整体结构动力响应计算。由计算结果可知,地震荷载为新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下海上风力机结构响应的控制荷载。相比于风浪联合工况,新型增殖型风力机在地震荷载激励下2阶频率对于结构响应的影响显著增加。     

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。     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

局部冲刷对复合筒基风电结构体系动力响应影响

建立风力机塔筒-复合筒型基础-冲刷地基的耦合动力分析模型,通过实测数据验证数值模型的准确性.基于已完成的复合筒基地基冲刷试验,在耦合动力模型中实现冲刷地基模型的准确建立,考虑局部冲刷后应力历史对剩余土体参数的影响,分析风力机结构体系的动力响应特征,将计算结果与不考虑冲刷影响的计算结果进行对比.结果表明:地基的冲刷使得风...     

黄海海域极端荷载下海上风力机结构累积变形及疲劳性状——3种典型基础对比研究

相比于欧洲风电场普遍存在的超固结硬黏土海床,中国海床主要由饱和软土构成,其承载力远低于欧洲风场。因此国外风力机设计无法直接应用于中国海上风电建设。该文以中国黄海软土海床某海上风场的极端荷载、土力学特性为背景,开展考虑桩-土横向循环相互作用的数值模拟,研究并比对单桩、三桩导管架和群桩3种基础支撑的海上风力机结构累积变形及疲劳性状。基于系统数值分析,给出了3种风力机基础的尺寸比选与优化设计参数。     

考虑桩基础柔性的固定式海上风力机调谐质量阻尼器参数优化研究

将被动调谐质量阻尼器（TMD）应用于单桩基础海上风力机，以降低风、浪联合作用下风力机塔筒结构动力响应。利用等效桩长法模拟桩基础柔性，将该方法引入气动-水动-伺服-弹性-振动控制风力机仿真程序FAST-SC，建立能考虑桩基础柔性影响的固定式风力机-TMD耦合数值仿真模型。同时，选取固定式海上风力机支撑结构一阶弯曲模态为主模态，并将TMD简化为单自由度体系，基于拉格朗日方程建立简化的单桩海上风力机-TMD耦合模型。基于该简化模型，采用响应面法分别对刚性桩基础和柔性桩基础条件下的海上风力机的TMD参数进行优化。将优化的TMD参数代入所建立的能考虑桩基础柔性影响的海上风力机-TMD耦合数值模型中，对比不同风、浪作用下TMD对采用不同桩基础边界条件的海上风力机减振效果的差异。通过对比得出：不同桩基础边界使得单桩基础海上风力机结构频率不同，所得的最优TMD设计参数也不相同，优化设计后的TMD对风、浪联合作用下柔性桩基础海上风力机的减振效果明显优于刚性桩基础。     

海冰撞击下海上风力机结构耦合动力特性与损伤分析

基于NREL 5 MW单桩基础海上风力机，考虑桩土相互作用，建立包括冰与海上风力机结构的三维精细化相互作用有限元模型，考虑冰与结构的耦合作用，运用ANSYS/LS-DYNA开展海上风力机在风-冰联合作用下损伤分析与动力响应研究，并针对结构损伤变形提出面积受损率用于评估海上风力机的损伤程度，探讨不同冰厚对海上风力机结构损伤和动力特性的影响。结果显示，随着冰厚的增加，动冰力平均值、峰值均增加，海上风力机动力响应增大。相比于海上风力机结构其他区域，基础结构接触面处损伤最大。通过该文提出的面积受损率可合理反映海上风力机在不同冰厚作用下的损伤程度，冰厚不仅会影响单桩基础的面积受损率，还会影响受损率的线性变化速度。     

基于复合地基反力法的单柱式海上风力机船舶碰撞研究

采用非线性有限元软件LS-DYNA模拟5 000 t的船舶与3 MW单柱式海上风力机碰撞过程,并采用复合地基反力法描述碰撞过程中土壤与桩相互作用,研究土壤与桩相互作用及船舶碰撞速度对海上风力机碰撞过程的影响,对比分析了碰撞力及海上风力机结构动力响应。研究表明:船舶最大碰撞力随着碰撞角度增大而减小,随着碰撞速度增大而增大;随着船舶碰撞速度增大单柱式海上风力机与船舶碰撞区域塑性变形逐渐增大;船舶碰撞速度增大到3 m/s时,风力机桩底产生塑性变形,继续增大到7 m/s时,风力机桩底产生塑性失效。     

地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构减振策略

针对中国部分近海海上风电场位于高烈度地震区而面临地震潜在威胁的问题,提出地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构整体耦合分析方法,开发地震荷载计算模块,基于FAST v8建立海上风力机地震整体耦合分析模型。根据整体耦合模型,揭示了地震风浪作用下海上风力机运动响应特性以及机电安全控制策略在减振方面存在的不足。进一步提出机电安全控制-MTMD联合减振控制策略,并探讨叶片顺桨速率对联合控制策略减振效果的影响;同时,以海上风力机结构地震响应为评价指标,对该联合控制策略的有效性进行了验证。     

地震荷载作用下海上风力机结构动力模型试验

综合考虑弹性相似律和佛劳德数(Fr)相似开展固定式多桩基础海上风力机结构动力模型试验,研究海上风力机整体结构在地震、风、波浪及海流单独及联合作用下的结构动力反应。运用ANSYS建立试验模型的有限元模型,将实测的地震波、风荷载和波高时程等荷载条件施加于数值模型,开展动力时程反应分析。通过试验数据与有限元结果的对比分析得出,在进行地震荷载作用下海上风力机结构动力反应分析时,需要考虑风、波浪等荷载因素的影响;地震、风、波浪荷载之间的耦合作用对结构内力反应具有显著影响,特别是当设计地震峰值加速度较小时,风与波浪荷载作用下的结构内力反应与地震荷载作用时效果相当。     

风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

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。     

长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC^3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y(土体抗力-桩基水平位移)曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。     

海上风力机在风波联合作用下的动力响应分析

为分析海上风力机运行时的复杂工作环境,需研究海上风力机整机系统在气动载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。应用线性波理论模拟非规则的波浪及计算水质点在不同深度位置的速度、加速度;应用MORISON波浪力方程建立作用于塔架支撑基础的波浪力计算模型,分析作用在圆筒形支撑基础上的波浪载荷。基于计算多体系统动力学建模方法,通过有限的自由度来反映海上风力机柔性构件的非线性弹性变形。结合气动载荷模型、波浪载荷模型和高效的数值求解方法,建立了海上风力机系统的动力学模型,实现对其动力响应数值分析。以一台5 MW海上风力机为例进行动力响应分析,仿真试验表明气动载荷和波浪载荷对海上风力机的结构设计和稳定性有着重要的影响。该研究为海上风力机系统的振动分析、疲劳分析等提供了一种有效分析方法。     

基于精确桩土模型的桁架式大型海上风力机地震动力学响应分析

为更精确研究桁架式大型海上风力机在地震载荷作用下的结构动力学响应,建立桩土模型,描述土体物理性质与桩-土间的相互作用,以桁架式支撑结构的美国可再生能源实验室(NREL)5 MW海上风力机为研究对象,建立有限元模型并分析在湍流风与地震联合作用下的动力学响应.结果 表明:相较于湍流风,地震作用对桁架式海上风力机动力学响应的...     

砂土中宽浅式复合筒型基础三维包络面研究

采用有限元软件ABAQUS对砂土中海上风力发电新型宽浅式复合筒型基础的承载能力进行数值模拟分析,并将有限元结果与试验结果进行对比,验证有限元模型的准确性。水平与弯矩作用下,复合筒型基础产生转动位移,旋转中心随荷载的增大从模型中轴线附近沿加载方向移动至分舱板底部;竖向荷载作用下,可将筒内土体和筒型基础当作一个受力整体计算。在二维荷载平面中水平和弯矩荷载呈线性关系,先施加一定的竖向荷载对砂土中复合筒型基础抵抗水平力和弯矩有利,水平与弯矩的极限承载能力均能得到较大提高。结合二维破坏包络线进行大量计算后得出三维包络面,进一步明确复合筒型基础在三维荷载作用下的承载能力与承载特性。