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。     

门式框架结构的瞬态波动响应和自振特性研究EI北大核心CSCD

研究门式框架结构在瞬态波动作用下的动力响应求解和自振特性分析问题。建立了局部坐标系下节点位移协调条件和力平衡条件,借助回传射线矩阵法,得到了方波脉冲激振力作用下的门式框架结构的动力学响应函数。在此基础上,通过离散Fourier逆变换和卷积变换,得到单位脉冲作用下框架结构的瞬态波动响应,并进一步探讨了门式框架结构的自振频率和模态特征。     

单桩基础型近海风机系统自振频率实用计算方法

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改进的台风下单桩海上风机易损性分析方法及应用EI北大核心CSCD

提出了一种改进的台风作用下单桩海上风机易损性分析方法,该方法包括:进行台风模拟,根据模拟台风确定单桩海上风机处的风浪强度指标;将风浪荷载施加在单桩海上风机上,在考虑荷载随机性的情况下得到风机塔筒和桩基的响应极值概率分布曲线;基于非线性屈曲分析得到风机主要构件的承载力概率分布曲线;结合风机主要构件的屈服和屈曲等承载力概率分布曲线,求得单桩海上风机在屈服或屈曲模式下的破坏概率。同时结合江苏某风电场的风浪特性对某5 MW风机进行了风致易损性分析。分析结果可为提升海上风机抗台风风险能力提供参考。     

经典边界条件黏弹性Pasternak地基上Bernoulli-Euler梁横向自振特性分析

自振特性在结构的动力分析中具有重要的意义。将回传射线矩阵法(MRRM)推广到地基梁自振特性的研究中,通过节点力平衡和位移协调方程及对偶局部坐标系下单元相位关系,建立两端简支、两端自由、两端固支、简支-自由、简支-固支及固支-自由这六种边界条件下黏弹性Pasternak地基上的Bernoulli-Euler梁的回传射线矩阵,进而得到其频率方程。根据单一局部坐标系下的边界条件,推导出模态函数解析表达式,进一步根据正交归一化条件求解模态函数表达式中的未知参数。通过具体算例验证了回传射线矩阵法求解的正确性,并对不同边界条件下的自振频率、衰减系数及模态函数进行了分析。为黏弹性地基梁的振动特性研究提供理论基础。     

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。     

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。     

黏弹性Pasternak地基上两跨连续Timoshenko梁横向自振特性分析

以黏弹性Pasternak地基上的Timoshenko梁为研究对象,研究其在两端简支、两端固支、简支-固支边界条件下的单跨地基梁及两跨连续地基梁(等跨和不等跨两种工况)的自振频率、衰减系数和模态。基于回传射线矩阵法,根据各种约束条件下的节点耦合条件,推导横向振动频率方程,通过观察两跨连续地基梁与单跨地基梁的频率方程,并通过具体算例,研究两跨连续地基梁与单跨地基梁自振频率之间的联系与区别,进一步给出前三阶模态。结果表明：两等跨连续地基梁自振频率方程可分为两个部分,且这两部分分别与两端简支和简支-固支边界条件下单跨地基梁的频率方程形式类同;其奇数阶自振频率与两端简支边界条件下单跨地基梁的偶数阶自振频率相等,而其偶数阶自振频率则与两端固支边界条件下单跨地基梁的偶数阶自振频率相同;不等跨的两跨连续Timoshenko地基梁的模态函数曲线幅值随阶数的增加降低最快。     

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。     

RC桥墩残余位移模拟的参数敏感性分析EI北大核心CSCD

为讨论RC桥墩震后残余位移模拟的建模方法,采用Open Sees非线性纤维梁柱单元和零长度转动弹簧单元,建立了桥墩抗震分析模型。以1个足尺RC桥墩振动台试验结果为依据,对桥墩进行动力时程分析和静力滞回性能模拟。结果表明,纤维梁柱单元数量、转动弹簧单元极限滑移量S_u、刚度折减系数b、调整纵筋失效循环次数的延性系数C_f和强度降低系数C_d对残余位移模拟的影响不明显。纵筋滞回关系调整参数R_0和转动弹簧单元捏缩系数R对残余位移模拟结果影响较大,初步识别结果为15和1.0。考虑混凝土抗拉的Concrete 02模型模拟残余位移精度高于Concrete 01模型,考虑纵筋的屈曲GA模型模拟的桥墩残余位移明显偏小。     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析EI北大核心CSCD

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。     

海上风机单立柱三桩基础灌浆连接段轴向承载力试验研究

结合某海上风机单立柱三桩基础,对海上风机灌浆连接段进行轴向承载力试验。共设计四个试验模型,包括两个带剪力键的模型和两个无剪力键的模型。试验结果表明：带剪力键的模型承载力和延性比无剪力键的模型显著提高;受过疲劳荷载的带剪力键模型虽然延性有一定降低,但其承载力仍与未受过疲劳荷载的模型相当。该文还讨论了UK规范、API规范和新旧DNV规范建议的四个灌浆连接段轴向承载力经验公式。各公式之间的对比表明,它们都存在一定的缺点：API规范公式和旧版DNV规范公式形式还不太成熟,而UK规范公式和新版DNV规范公式试验数据参数范围不全。因此,该文最后建议提出一个灌浆连接段界面抗剪强度的新公式,以适应更广泛的工程应用条件。     

运行状态下海上风机结构振源特性研究EI北大核心CSCD

由于海上风机结构运行环境的复杂性,其振源的准确识别与振源特性研究已经成为风机运行安全性评估的重点问题。以某新型复合式筒型基础结构海上风力发电试验样机为研究对象,依据原型观测获得的全负荷条件下结构不同位置的振动响应数据,对不同运行工况下诱发结构振动的振源进行全面识别与分析。利用谱峭度法识别明确引起海上风机结构振动的主要振源及其对应振动响应的频域属性,通过经验模态分解法对实测信号进行分解得到表征各振源特性的频域或频率尺度的分量,同时引入振动能量法对不同振源的能量比重进行统计分析,给出了海上风机结构运行状态下结构整体振动主振源及其对应振动能量分布随运行因素变化的分布规律。研究表明随着机组负荷的增加运行状态下海上风机结构振动的振源变化遵循由单一的环境荷载激励转为环境荷载激励和叶轮转动联合作用再到完全由叶轮转动产生的谐波激励影响的规律。     

转子-机舱组合体模型对海上风机结构特征频率和地震响应的影响

转子-机舱组合体(Rotor-Nacelle Assembly, RNA)又称风机机头,常用的简化模型包括点质量(RNA＿M)、偏心点质量(RNA＿ME)、偏心点质量-转动惯量(RNA＿MEJ)和刚性机舱-刚性叶片(RNA＿RB)。该文基于NREL5MW单桩式海上风机原型,使用Abaqus软件分别建立包含这四种RNA简化模型的风机模型,以刚性机舱-可变形叶片(RNA＿FB)风机模型为基准,分析不同的RNA简化模型对风机结构特征频率和地震响应的影响。研究结果表明：对于只涉及支撑结构1阶模态的问题,四种简化RNA模型计算的频率均是准确可靠的;当涉及支撑结构的2阶模态或/和扭转模态时,应采用RNA＿MEJ、RNA＿RB或RNA＿FB模型;当涉及支撑结构的更高阶模态时,应采用RNA＿FB模型。对于风机结构地震响应分析,RNA＿MEJ与RNA＿RB模型计算的结构响应更准确,但它们的大多数结构响应峰值的最大相对偏差均超过了10%,在实际工程应用时应慎重使用这些RNA简化模型。     

推进轴系参数优化对水下结构声振特性影响研究EI北大核心CSCD

在修正Timoshenko梁基础上,采用传递矩阵法推导了水下结构推进轴系简化模型的传递矩阵,实现各轴承位置处振动功率流的求解。以各轴承位置处传递功率流作为优化目标,选择三组不同的优化方案,取艉轴前后轴承刚度、推力轴承刚度以及轴承间距为优化变量对推进轴系参数进行优化。利用三维水弹性力学理论和三维水弹性声学分析软件,计算分析不同优化结果下水下结构的声源级曲线。结果表明:以艉轴后轴承、艉轴前轴承和推力轴承各处传递功率流最小为优化目标的优化方案最有利于减小水下结构的声辐射。     

考虑土-结构相互作用的海上风力机结构振动控制研究EI北大核心CSCD

利用耦合线性弹簧模型模拟桩基础和土体之间的相互作用,基于海上风力机整体结构耦合运动模型开发了可考虑土-结构相互作用的固定式海上风力机结构振动控制程序。选取5-MW单桩基础海上风力机为研究对象,基于不同边界条件样本风机动力反应特性完成了机舱位置调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)参数设计;基于海上风力机结构时频域响应变化规律及控制率揭示了TMD的减振机理及土-结构相互作用对于减振效果的影响。通过对比得出:考虑土-结构相互作用对海上风力机结构调谐质量阻尼器设计至关重要。     

基于特征波导纳法和敏感性分析的大型周期支撑结构损伤识别EI北大核心CSCD

提出了一种基于特征波导纳法和敏感性分析的大型周期支撑结构损伤识别方法。通过分析存在单一损伤单元有限周期支撑结构的自由波传播规律,建立了周期结构无量纲自振频率变化对基本周期单元刚度变化的敏感性分析矩阵;求解敏感性识别方程组,实现基于测量自振频率变化的大型周期支撑结构损伤检测;同时,分析表明所提出无量纲自振频率的敏感性与结构参数无关,即无需知道原始结构的准确几何物理参数就能确定敏感性系数。分别以一周期支撑梁与周期支撑法兰接头管道为例进行研究,表明该方法仅用量测损伤前后的前几阶自振频率变化就能较准确地进行周期支撑结构多损伤识别。     

多阶适时控制连接装置设计参数分析EI北大核心CSCD

为明确MTC装置力学性能及设计参数影响的一般规律,针对力学性能开展拟静力试验研究,并采用有限元模型进行验证分析,在此基础上基于正交试验设计开展MTC装置初始刚度参数影响显著性分析,并探究MTC装置初始刚度在显著性参数影响下的变化规律。结果表明,考虑装配间隙调整后有限元与试验所得连接刚度较为一致,所建有限元模型可反映MTC装置连接刚度实际变化情况;MTC装置初始刚度参数影响显著性顺序为耗能挡板高度、厚度、短底边长度、长底边长度、挡板间距;耗能挡板高度、厚度及短底边长度为影响MTC装置初始刚度的显著性参数,利用MTC装置进行连续梁桥抗震设计时可适当改变三者取值对装置初始刚度进行调整,以实现理想减震效果。     

基于机器学习的单钢板混凝土组合板冲击响应预测及优化EI北大核心CSCD

单钢板混凝土组合(half steel-concrete composite,HSC)板的抗冲击性能十分出色,可有效抵挡落石冲击。在符合相关规范要求的前提下,可通过设计降低HSC板在落石冲击作用下的变形,以最大限度地保护山区基础设施和人民的安全。为快速、准确地处理HSC板的变形和设计参数之间的复杂非线性关系,基于三种机器学习算法分别建立冲击作用下HSC板最大变形的预测模型,并通过有限元结果对模型进行验证;在此基础上,以落石冲击下HSC板的最大变形、自质量和造价为优化目标,采用遗传算法对某山区建筑中某HSC屋面板进行优化设计,求解HSC屋面板的厚度、连接件尺寸等设计参数的最优解集。研究结果表明,高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)模型对HSC屋面板变形的预测精度最高,可代替复杂耗时的有限元计算,有效提高目标方程的计算效率,且最终的优化结果给出了多种优化方案,可有效降低HSC屋面板变形,为工程设计提供参考。     

多失效模式下多状态伺服转塔刀架系统频率可靠性分析EI北大核心CSCD

根据频率响应函数特性曲线的连续性,传统频率可靠性分析中仅将共振区与非共振区二分化值得商榷。提出了多失效模式下多状态频率可靠性分析方法,综合考虑影响系统固有频率各结构参数的随机性、激励频率的随机性,应用Monte Carlo仿真估计出系统频率可用度,并根据相关性分析识别各结构随机参数对系统频率可靠性的影响。将该方法用于基于多体系统传递矩阵法所建立的伺服转塔刀架系统动力学模型中,研究了其频率可用度以及与系统状态最为相关的结构参数,所得分析结果为系统优化设计提供了依据。