工作状态对风力发电机地震响应的影响

风力发电机受到的气动力作用表现为气动阻尼和空气动力荷载,对结构地震响应分别具有阻尼效应和动力效应。该文建立理论分析模型,考虑运行和停机两种工况,分析工作状态影响风力发电机地震响应的规律和机理;针对NREL 5 MW基准风机,采用FAST软件分析不同风-地震组合作用下风力发电机结构动力响应,验证理论分析结果的正确性;同时,分析输入地震动方向对风力发电机地震响应的影响。结果表明:工作状态对风力发电机地震响应的影响与地震动幅值和风速有关;强震作用下,停机状态地震单独作用为最不利工况;弱震作用下,额定风速-设计地震动组合是最不利荷载组合;输入地震动方向影响风力发电机动力响应。     

近场地震作用下近海单桩风机动力响应分析

基于FAST v7开发地震分析和土-结相互作用(soil structure interaction, SSI)模块,形成气动-水动-地震-伺服-土结耦合仿真平台FAST-S,并采用Seismic和ABAQUS验证地震分析模块的计算精度和可靠性。通过扩展的FAST-S平台,建立考虑SSI效应的5 MW近海单桩风机模型,分析风、波浪和地震之间的耦合效应以及研究近场地震动速度脉冲对停机和运行状态下风机支撑结构动力响应的影响。结果表明：地震加剧了塔顶振动,风浪荷载对减轻地震诱发的塔顶振动有一定作用;气动载荷、水动载荷和地震载荷之间存在非线性耦合关系,计算时应充分考虑风-浪-地震耦合效应;近场地震速度脉冲会增大停机和运行状态下风机的塔顶位移、塔顶加速度和泥线处弯矩,结构设计时应注意脉冲型地震动对结构产生的不利影响,特别是停机状态下风机的结构安全。     

三维地震动下结构最不利入射角度研究

当地震波沿不同的方向输入时,结构具有不同的动力响应,并存在最不利入射角度使结构响应最大。传统的最不利入射角度计算只考虑平面内水平两向地震动作用,没有考虑竖向地震动对结构最不利反应的影响。论证了弹性力学中的平面最大主应力方向理论与平面内结构最不利入射角度在机理上是相通的。在此基础上推导了空间最大主应力方向的表达式,进而提出结构考虑三维地震动的最不利入射角度计算公式。提出了基于有限元分析的弹塑性结构瞬时最不利入射角度计算方法。通过数值模拟讨论了空间最不利入射角度的特性和变化规律。通过计算实例证明对于以竖向振型为主的结构应考虑多维地震动并计算空间最不利入射角度。同时,结构弹塑性最不利入射角度具有瞬变特性并与结构损伤程度相关。     

旋转方向对车用交流发电机气动噪声影响分析

针对交流发电机气动噪声声源组成的复杂性和不同旋转方向对交流发电机气动噪声影响问题,基于Lighthill声学理论,采用LES(Large Eddy Simulation,大涡模拟)和FW-H(Ffowcs Williams-Hawking方程)声学模型对交流发电机气动噪声进行数值模拟。研究结果表明:LES在交流发电机噪声数值预测方面其主要阶次及幅值与试验对比有很好的一致性;前后扇叶为该型交流发电机的主要气动噪声声源;第6、8、10、12和18等阶次为交流发电机气动噪声主要影响阶次,且主要能量集中在1 120 Hz~5 600 Hz频率范围内;反方向运行工况的交流发电机总声压级较正方向运行时大9.17 d B,质量流量较正方向运行的小62.87 g/s。研究成果可为车用交流发电机气动噪声性能的提高提供切实可行的参考。     

风-波浪荷载对海上风机地震响应的影响

建立广义单自由度模型,考虑运行、停机两种工作状态,揭示风-波浪荷载影响海上风机地震响应的机理。针对NREL 5MW单桩式海上风机,通过风-波浪统计关系确定波浪谱参数,采用FAST软件分析结构地震响应,验证初步分析结果的正确性,并探讨风-波浪影响海上风机地震响应的规律。结果表明:风-波浪作用的气动阻尼和动荷载效应使其显著影响海上风机地震响应;对于运行状态的海上风机,轮毂高度处平均风速等于额定风速时,支撑结构最危险;强震作用下,风-波浪作用减小泥面内力和塔顶位移幅值;弱震作用下,风-波浪荷载增大泥面内力和塔顶位移幅值。     

转动地震动作用对结构动力响应影响分析

转动地震动作用对结构响应的影响有待深入研究。建立钢筋混凝土框架结构模型,对地震动平动分量和转动分量单独及耦合作用下的结构动力响应进行分析,结果表明：地震动转动分量与平动分量耦合作用时,会增大结构响应;结构顶层位移、层间扭转角、结构的扭转效应都显著增大;含有速度脉冲比无速度脉冲的转动分量与平动分量耦合作用对结构响应影响大;地震动转动分量的施加方向对结构动力响应有影响;在有速度脉冲的地震波作用下,转动分量单独作用也可使结构进入弹塑性状态。     

曲线桥多维地震时程分析主方向研究

研究曲线桥多维地震作用下利用时程分析法时的主方向问题.首先利用基于小波变换的拟和规范反应谱的多维地震动模拟算法合成多维地震动,然后基于多维地震动作用下的结构动力方程,推导了时程分析法时求解地震激励主方向的公式,并对比计算分析了SRSS法,百分比准则等组合方法的正确性.推导的公式简单易行,可方便求得时程分析时,单维或者多维地震激励的最不利方向.对于曲线桥这种桥型,应该考虑地震动的多维性,对不同反应量,对应着不同地震激励的主方向,实际分析时,应该同时输入多维地震动,并求得最不利角度才能保证结构的抗震要求.     

轻型商用车动力总成悬置系统隔振优化研究

以某轻型商用车设计开发阶段动力总成悬置系统的隔振优化问题作为研究对象,充分利用该动力总成悬置系统的基本特征,通过建立ADAMS仿真计算模型,掌握悬置系统的固有特性,并且获知系统y向与z向、x向与γ向的频率间隔太小,存在重叠趋势,在y-α-γ方向存在较为明显的耦合振动。为了通过优化改善系统隔振性能,针对原状态下的悬置系统,研究了悬置刚度和悬置位置对系统隔振特性的影响规律。结果表明：左右悬置的侧向刚度对y-α-γ方向的耦合影响较大;在一定范围内,前后悬置位置的靠拢可以显著提高系统的解耦度。依据系统隔振特性的影响规律,结合车型开发的现实条件,对悬置刚度和悬置位置进行了优化分析。优化后悬置系统固有频率间隔增大、各向解耦度显著提高,很好改善了原状态下存在的耦合现象。最后,计算悬置系统的振动响应特性曲线,发现优化后各悬置点的振动响应幅值总体下降,系统的隔振性能得到显著提高。     

运行状态风力机地震响应的解耦分析方法

对于运行状态的风力发电机,其地震响应涉及风荷载与地震的联合激励。为建立风-地震共同作用下风力机动力响应的解耦分析方法,该文基于最小二乘法,建立水平轴风力机模态气动阻尼比简化模型;将叶轮气动阻力以等效阻尼比施加于支撑结构,形成风力机地震响应的解耦分析方法,与耦合方法模拟结果进行比较,验证解耦方法的可靠性。结果表明：双线性模型能够准确模拟风力机模态气动阻尼比随轮毂高度处10 min平均风速变化的规律,解耦方法得到的风力机塔顶加速度和塔底弯矩峰值与耦合方法所得结果的误差不超过15%,同时,解耦方法的计算效率也高于耦合方法。     

框架结构在双向地震动作用下的最大结构反应

实际地震由水平地震动和竖向地震动组成。由于水平地震动可能沿任何方向发生,通常把引起结构最大动力反应的水平地震动角度称为地震对该结构的最不利入射角度。确定地震动的最不利入射角度是研究双向地震作用下结构动力响应的关键问题。该文提出了一种基于弹性时程分析的地震动最不利入射角度的确定方法,并给出了该方法的图形解法。该文通过具体算例证实,当结构为线弹性时,该方法给出的是动力响应的精确解。当结构进入非线性阶段,产生塑性变形时,该文对该方法引起的误差进行了讨论,发现误差随强度折减系数(Rd)的增加而增大,在Rd小于6时,误差通常不超过10%,证明该文所提出的方法在结构发生塑性变形时依然具有很好的适用性。     

长周期地面运动和SSI效应对风机动力响应的影响

针对建设在软土地基上的大功率风机结构,需要同时考虑长周期地面运动和土-结构相互作用(SSI)的影响.为了全面研究长周期地面运动和SSI效应对风机塔筒结构动力响应的影响,首先基于某1.25 MW变桨距风机结构建立了包含叶片、机舱、塔筒和基础的结构整体有限元模型,并进行了模态分析.其次在世界地震记录数据库中选择了1条普通波...     

考虑RNA运行作用的近海风电结构动力响应分析

在风、浪的长期耦合作用下,海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出,还会加剧结构的累积疲劳损伤,危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性,该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性,采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载,对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析,对比其在不同状态下的动态行为模式;通过批处理程序,开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算,探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明:近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征,其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。     

钢筋混凝土框架-核心筒结构地震反应能量分析

通过对9个不同结构特性的钢筋混凝土框架-核心筒结构,选用一定数量的地震波进行时程分析,研究了此类结构在地震作用下的总输入能及其在滞回耗能和阻尼耗能之间的分配规律,以及滞回耗能在构件及层间的分布规律。研究表明,随着地震动幅值的增大,滞回耗能比也随之增加;不同频谱特性的地震波对滞回耗能影响较大;刚度特征值对结构总滞回耗能影响不大,但对构件的耗能分配具有较大影响;结构滞回耗能主要集中于底层剪力墙和中部连梁处。     

Dynamic Analysis of Wind Power Turbine's Tower under the Combined Action of Winds and Waves

To deal with the dynamic response problem of offshore wind power tower under the combined action of winds and waves,finite element method is used to analyze the structure and flow field around the outside flange of the segmentation part. The changes of pressure distribution and vorticity about the outside flange are obtained.Focused on the analysis on the change of hydrostatic pressure and temperature of the tower cut surface,contour lines under the combined action of winds and waves are depicted. Results show that the surface of the offshore wind turbine tower presents instable temperature field when it suffers the action of winds and waves loads,the static pressure increases nonlinearly with the increase of altitude,the fluid vorticity around the outside flange follows an parabolic curve approximately. Results provide a reference for the actual monitoring data of the offshore wind turbine tower under the combined action of winds and waves,so as to ensure the normal operation of tower.     

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。     

Nonlinear dynamics of offshore structures under sea wave and earthquake forces

A study of dynamic response of offshore structures in random seas to inputs of earthquake ground motions is presented. Emphasis is placed on the evaluation of nonlinear hydrodynamic damping effects due to sea waves for the earthquake response. The structure is discretized using the finite element method. Sea waves are represented by Bretschneider’s power spectrum and the Morison equation defines the wave forcing function. Tajimi-Kanai’s power spectrum is used for the horizontal ground acceleration due to earthquakes. The governing equations of motion are obtained by the substructure method. Response analysis is carried out using the frequency-domain random-vibration approach. It is found that the hydrodynamic damping forces are higher in random seas than in still water and sea waves generally reduce the seismic response of offshore structures. Studies on the first passage probabilities of response indicate that small sea waves enhance the reliability of offshore structures against earthquakes forces.     

变风载下风电齿轮箱内部激励规律研究及动态特性优化

风电齿轮箱作为风电机组的关键部件,其动态特性直接影响整个机组的运行。以某兆瓦级风电齿轮箱为研究对象,考虑箱体、行星架的结构柔性后,建立风电齿轮箱耦合动力学模型,并分析了其动态响应。针对单一工况所得的齿轮修形量未必适用于其它工况的问题,对各工况下的风电齿轮箱各级齿轮副内部激励进行了加权处理,以各齿轮内部激励和最小为优化目标,基于遗传算法寻求适用于多工况的最优修形量,并结合齿轮宏观参数优化来改善风电齿轮箱的动态响应。结果表明,通过宏观参数优化及齿轮修形后,各工况下风电齿轮箱的振动加速度及结构噪声均得到了有效改善。研究结果为兆瓦级风电齿轮箱动力学特性优化提供了依据。