一种新型风电塔架结构用双向TMD风致响应减振控制研究

为了减小风荷载作用下风电结构动力响应,提出一种双向调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)并对其减振效果展开研究。采用Davenport脉动风功率谱,模拟陆上风电场的脉动风速。建立顶部集中质量有限元模型和考虑风电结构叶片与塔筒耦合的叶片-塔筒有限元模型,计算两种模型的自振特性,并对安装双向TMD的风电结构的响应进行分析。分析结果表明:该装置具有较好减振效果;在两种不同计算模型下,风电结构塔筒顶部位移、加速度和底部弯矩计算结果及控制效果一致;在叶片-塔筒模型中,由于叶片-塔筒模型中叶素力与轮毂中存在偏心,使得叶片-塔筒模型顶部弯矩相比集中质量模型顶部弯矩较大。     

基于简化模型的北京奥林匹克公园中心演播塔顺风向风振TMD控制研究

研究了TMD对北京奥林匹克公园中心演播塔在强风作用下顺风向风振响应的振动控制效果。基于随机振动理论,利用M.Shinozuka方法对该塔的顺风向脉动风荷载进行了数值模拟,得到了6条顺风向脉动风荷载时程曲线;利用二维模型研究了该塔的三维空间模型,并验证了二维模型的正确性和可靠性,而且利用二维模型进行减振控制研究,大大节省了计算时间;以该塔顶层的顺风向风振加速度响应为优化目标,对TMD的参数进行了优化研究。结果表明,该塔的顺风向风振加速度响应超过了规范的容许值,设置TMD后该塔的顺风向风振加速度响应有明显的减小;在TMD最优参数下,该塔顶层的顺风向风振加速度响应和位移响应的减振率分别为20.2%和42.7%。TMD吸收了大量的能量,对该塔的顺风向风振响应有明显的控制作用。     

对风力发电机塔架施工阶段TMD阻尼器的研究

风力发电机通常在现场安装,但由于风致涡激振动会导致塔顶产生较大的位移响应,给发电机叶片安装带来极大的困难。为了减小这种位移响应,该文研究了一种频率可调的双向滑轨式调谐质量阻尼器(TMD)。该文将介绍TMD主要参数的选取、数值模拟和实验验证。首先根据结构动力响应选取主要参数,确定TMD质量、刚度和阻尼比;然后进行有限元分析,考虑高阶模态的贡献;最后,通过制作塔架和TMD缩尺模型以验证TMD的有效性。     

大跨越输电塔结构风振控制

本文以沿山头大跨越输电塔为工程背景，讨论了不同高度多个TMD（调频质量阻尼器）对大跨越输电塔结构脉动风反应的振动控制。应用随机振动和多变量非线性优化方法对TMD装置的阻尼比进行了优化。对装有TMD的输电塔结构风振控制进行了模拟，同时还对控制效果进行了时频域对比和动力可靠度评估。     

高耸烟囱结构调谐质量惯容阻尼器(TMDI)风振控制方法及效果研究

高耸烟囱是一种典型的风敏感结构,尤其是横风向涡激共振会对结构安全造成不利影响,往往需要对其进行风振控制。相比传统的调谐质量阻尼器(TMD),调谐质量惯容阻尼器(TMDI)能够通过惯容器实现动力吸振器的轻量化设计。但惯容器的连接位置,不仅影响其在对高耸烟囱结构上实施的难度,对风振控制效果的影响也尚待定量化研究。该文将高耸烟囱简化为广义单自由度结构,基于风荷载频谱的滤波表示,推导了TMDI控制下结构风振响应的解析解。在此基础上,对TMDI最优设计参数进行了参数化分析,总结了相应的经验公式供设计参考。此外,通过对比TMDI与TMD的风振响应控制效果,给出了惯容器起增强控制效果的判别准则,以及TMDI的等效TMD质量比计算公式,以指导动力吸振器的轻量化设计。最后,通过对某270 m高混凝土烟囱风洞试验数据进行TMDI风振控制算例分析,验证了理论分析的有效性。结果表明,采用该文优化设计方法,TMDI可降低涡激共振锁定区内高耸烟囱的设计风荷载45%以上。     

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。     

基于多元EMD-AM/FM分解的多点非平稳雷暴风速模拟

雷暴风对建筑物和输电线塔等结构具有很大的破坏性。为了准确估算结构的动力响应,获得可靠的风速样本至关重要。该文结合多元经验模态分解（MEMD）,调频函数/调幅函数（AM/FM）分解和本征正交分解（POD）建立了基于时频分析的非平稳多点风速的模拟方法。第一,采用MEMD分解多点风速,产生固有模态函数;第二,采用AM/FM分解计算各点的固有模态函数的瞬时频率和瞬时幅值;第三,利用POD对瞬时频率解耦;第四,将瞬时幅值和解耦后的瞬时频率用于重构多点非平稳风速。实测多点雷暴风的模拟结果表明: MEMD-AM/FM分解-POD方法能满意地模拟多点非平稳雷暴风速。     

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。     

TMD控制系统的相位及控制效果分析

推导了TMD系统的相位公式,研究了各参数对相位差及减震效果的影响。结果表明当TMD选取最优频率比与最优阻尼比时具有最优控制效果。TMD质量比的增大不仅有助于增加控制效果,而且提高了频域内的控制鲁棒性。此外,本文提出了相能原理并结合能量耗散相等的原理给出了TMD的等效阻尼比,该数值比白噪声激励下推导的等效阻尼比更加符合TMD系统的实际情况。     

桥梁自立杆风致振动TMD控制及优化设计

桥梁自立杆风致振动往往会引起路灯及附属监测设施的损坏,严重时甚至导致灯杆断裂,对其进行风振控制可以避免因常年设施检修引起交通不畅等庞大间接损失.采用TMD阻尼器进行自立杆振动控制已有工程应用,然而相应的阻尼器参数优化设计方法尚未得到深入的研究.根据频域分析理论,采用虚拟激励法及詹姆斯公式可以得到安装TMD阻尼器前后的等效阻尼比,通过参数分析得到了阻尼器参数及位置对控制效果影响的优化曲线,采用该曲线就可以得到TMD的最优参数及安装位置.还推导并建立了自立杆-阻尼器系统的耦合风振控制方程,可适用于Newmark-β时程分析方法.选择某一实际桥梁路灯杆,根据优化曲线选取并安装TMD阻尼器,风荷载则采用谐波合成法模拟脉动风速叠加平均风速计算获得,时程分析表明采用TMD阻尼器并结合提出的优化设计方法极大地抑制了自立杆的振动.时域与频域分析结果比较表明二者吻合较好,说明自立杆振动可以采用考虑一阶振动的频域分析结果.     

基于风观测塔和风廓线雷达实测的强台风黑格比风剖面研究

利用两座风观测塔和一台风廓线雷达对强台风黑格比的实测结果,研究了台风黑格比近地塔层和边界层风剖面特征.结果表明:在近地塔层风剖面,陆地来风时,最大风速高度高于70m,且指数律剖面指数α随着风速的增大而减小;海面来风时,最大风速高度约为50m,指数律剖面指数α随着风速的增大而增大.在边界层风剖面,台风黑格比前眼壁强风区梯度风高度为450m,后眼壁强风区为300m,外风场为200m.指数律和对数律剖面可以用来描述台风黑格比眼壁强风区300m 高度以下和外风场200m 高度以下的风剖面,但是风剖面参数不符合规范推荐值,D-H 模型参数不适合描述其风剖面,需进行修正.     

超大型冷却塔风荷载特性风洞试验研究

对某超大型冷却塔进行同步测压风洞试验获得内、外表面的脉动风压分布。在外压测试中,改变外表面粗糙度和调整风速等措施,较好地实现了冷却塔大缩尺比模型对表面绕流高雷诺数效应的模拟;采用热线风速仪对冷却塔尾流进行测试,验证了由冷却塔整体气动力时程频谱函数确定涡脱频率方法的合理性;分析了环向断面阻力系数沿塔高的分布规律,在考虑相关性的基础上建议了冷却塔环向外表面的风压极值分布拟合曲线。在内压测试中,比较多种填料层透风率对于内压影响的基础上,采用相关性分析方法确定了内压极值分布规律。     

高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征

详细讨论了高层建筑风致振动和等效静力风荷载的计算方法及其特征。将结构风致响应分解为平均响应、动力响应的背景分量和共振分量,给出了相应的计算公式;还给出了背景和共振等效静力风荷载的计算公式,提出了等效静力风荷载组合的一种简便方法,并讨论了计算背景分量的QML法和LRC法的差异。最后,以一典型高层建筑为算例,讨论了高层建筑风致响应和等效静力风荷载的主要特征。     

复杂体型高层建筑表面风压及周围风环境的数值模拟

采用离散化的数值模拟方法对一幢复杂体型高层建筑及其裙房的表面风压与周围风环境进行了模拟计算,并在边界层风洞中进行了模型试验测定。数值模拟基于Reynolds时均方程,分别采用了两种湍流封闭模型:标准k?ε模型和重整化群k?ε模型。通过将两种模型的风压计算结果与风洞试验结果进行比较,获得了该类建筑物表面风压的分布特性,并对建筑周围的风环境作了分析和评价,为结构设计和建筑覆面设计提供了依据。     

斜拉桥斜拉索的风荷载、风致振动与控制

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,其承受的风荷载占大桥总体风荷载的很大比例,准确掌握其风荷载对设计具有重要意义;同时,由于斜拉索的风致振动发生频繁,危害严重,其风致振动的机理是研究热点和难点问题,振动控制措施是设计中需要重点考虑的问题。该文全面总结了斜拉索风荷载计算方法、风致振动的种类和相关机理,介绍了利用气动措施进行振动控制的最新研究成果,为相关的机理研究和斜拉索的振动控制设计工作提供参考。     

多因素作用下小区风环境风洞试验研究

风环境风洞试验由于受到试验尺寸与试验设备的限制,很难获取高精度详尽的小区风场分布,加之我国对小区风环境研究还相对滞后,较大程度阻碍了当前绿色城市的发展。该文以长沙通用时代国际社区为研究背景,利用10 m (宽)×3 m (高)×21.0 m (长)大尺寸风洞,对不同来流形式、风速大小,有无高耸建筑与植被等因素影响下的小区风环境进行了全方位、多工况试验研究,获取了多因素影响下的小区风场详细分布。研究结论显示:均匀来流通过800 m长度的地表粗糙距离可产生与C类地貌来流较为一致的平均风剖面,但湍流度剖面还存在较大差异;低风速来流作用下小区无量纲风场分布随来流风速变化具有一定的波动,但来流风速大于7 m/s时,小区流场的无量纲风速分布趋于稳定;小区内部风场分布与邻近高耸建筑的位置和形态密切相关,高耸建筑会引起建筑周边风场加速。同时,植被能降低小区人行高度平均风速,对通用时代小区而言,10 m高大树、7 m高中树和5 m高小树可对小区平均风速分别造成12.8%、10.6%和7.2%的减速。     

大跨度空间结构抗风分析的数值风洞方法

数值风洞方法可为复杂形体结构的风压分布确定和结构风振系数选取等提供非试验性的依据。基于计算流体动力学理论,以空间结构为对象,研究数值风洞技术。数值模拟了不同空间结构形体表面及其周围的风场,计算了结构风载体型系数,并与风洞模型实验成果比较,验证数值风洞计算结果的正确性。研究了因其他结构物存在引起的结构风场和结构体型系数变化,探讨了用数值风洞模拟技术鉴别风洞模型试验可能存在的误差及其原因。基于结构表面等压线划分结构受风区域,并以面积加权平均计算得到区域体型系数。还分析了结构多风向角下的结构风载体型系数。     

复杂形体大跨叉筒网壳结构的风场风载模拟

风荷载是大跨度网壳结构设计的控制荷载。但网壳结构造型日趋复杂,致使结构表面的风压和风载体形系数的确定愈加困难。本文针对典型的复杂体型多向叉筒网壳结构,采用数值风洞技术研究结构表面的风压分布和风载体型系数,分析交叉柱筒的数量、交叉柱筒曲率、矢高比、下部开敞或封闭等不同工况对风压分布和风载体型系数的影响。根据节点风载体型系数划分子区域,利用加权平均法计算各子区域的平均风载体型系数,进而为大跨度复杂体型网壳结构的抗风设计提供依据。     

建筑物风荷载测量技术与动态响应的研究

风荷载是建筑物的主要侧向控制荷载,测量风荷载及预测建筑物风响应是工程需要。利用高频天平能够测量建筑物静态和动态风荷载并预测建筑物的动态响应,这是一种有待广泛推广的新技术。作为技术研究,在1.4m×1.4m风洞中利用一台五分量高频天平获得了两个模型在不同流动状态大气边界层中的广义力谱,计算了相应高层建筑的动态响应,并与国际ESDU风工程计算作了比较,对试验结果的可靠性进行了分析。     

桥上孔隙式风屏障缩尺模型模拟方法的风洞试验

为了明确孔隙式风屏障缩尺模型的模拟方法,针对铁路桥上设置透风率为30%、高度为2.05m风屏障情况,通过风洞试验测试了不同开孔形式风屏障作用下车辆的气动力系数,分析了风屏障的孔径和开孔形状对车辆气动特性的影响,讨论了圆孔形风屏障与纵条形风屏障的相似性。结果表明,在1∶20的缩尺模型中,风屏障的孔径可取8mm~12mm;透风率相同时,风屏障的开孔形式对迎风侧车辆有一定的影响;纵条形风屏障的间隙数不低于10个时,与设置8mm圆孔形风屏障时的车辆气动特性较为接近,结果可为风屏障的缩尺模型风洞试验和数值模拟提供参考。