随机荷载组合作用下海上导管架基础结构的动力响应分析

在导管架动力学分析中,开展了不同随机荷载组合作用下的导管架动力响应特性研究。基于AR线性滤波法和随机波浪理论及P-M谱对于风速和水质点速度、加速度进行模拟,从而计算得到塔筒所受风荷载与结构所受波流荷载,基于线性叠加法和Turkstra法对随机荷载进行组合,进行不同组合作用下的导管架基础结构的动力响应分析,对塔筒顶部位移及导管架基础顶部位移、加速度进行对比。研究结果表明,海上导管架基础结构在随机风与最大波流荷载的组合作用下,塔筒顶部和导管架基础顶部的动力响应最大,塔筒所受风荷载取值对于结构的动力响应影响较小,可进行简化处理,波流荷载对于结构的影响很大。     

海上吸力基础式风机结构动力响应研究

由于海上风机受到风浪流荷载的长期作用，因而其动力响应问题成为风机结构设计的关键问题。针对上述情况，以5 MW吸力基础固定式海上风机为研究对象，充分考虑风机基础与土的相互作用等非线性荷载，利用有限元方法建立了综合考虑空气动力、水动力和土壤约束力作用的海上风机整体动力耦合分析模型，在多荷载工况组合下进行了海上风机结构的动力响应分析。研究结果表明，海上风机整体结构位移最大区域在塔筒顶部，应力最大区域在吸力基础与风机塔架的连接处。通过对线性叠加法和Turkstra准则的对比分析验证可以看出，采用Turkstra准则能更准确地获得对风机结构动力响应最不利的荷载组合方式。     

风浪流作用下考虑筒-土接触的吸力筒导管架响应

以中国南海某海上风电吸力筒导管架基础为分析对象,以50 a重现期极端工况为载荷条件,考虑筒-土接触建立全三维有限元模型,对吸力筒导管架的安装角度和结构强度、地基沉降以及筒基承载力进行分析。结果表明,当基础安装方向与浪流作用方向的相对作用角为120°时,基础所受载荷响应最小。地基承载力和基础强度满足要求。在基础及风机安装过程中最大产生0.431 m土体沉降,应为基础预留足够的沉降量。     

风力发电塔筒在地震和风载下的失效分析

为了研究1.5 MW水平轴风力发电机塔筒在强地震和风力载荷作用下的结构响应和失效模式,根据抗震规范中的两条设计响应图谱选定地震运动的形式和规模,同时根据热带气旋设定风力载荷,对研究模型进行了非线性动力学响应分析,并比较了在风力载荷作用下,塔筒在短周期和长周期地震载荷下的结构性能。结果表明,在强风力载荷作用下,风机塔筒的失效是由塔筒下部塑性铰的形成引起的,这一区域在塔筒承受较大的地面载荷时也是十分关键的。但在一些短周期地震中,由于高阶振动模态的叠加,最终导致塔筒中上部出现失效。虽然长周期的地震往往会导致更严重的结构响应,但是短周期的地震可能会直接导致脆性断裂,在这种模式下,只有中等耗散功率的塔筒全塑性铰会快速发展。基于以上研究结果,对风机塔筒提出了相关的设计建议。     

海上风机基础结构力学分析

结合我国第一个海上风力发电示范项目,利用ABAQUS有限元软件分析了海上风机的基础结构与风机塔架的整体动力特征和风机基础在不同动力荷载作用下的耦合特征,给出各种荷载,如风荷载、风机运行荷载、冰荷载、波浪荷载等,并研究了各种荷载对风机基础结构强度的影响规律.以期为海上风机基础的设计提供参考.     

海上风电吸力桶结构分析

针对实际工程条件，创新性地设计一种全新吸力筒形式，并借助SACS软件构建综合考虑土壤影响的吸力筒导管架风机模型。在极端工况下，详细分析该结构的性能。结果表明，在外部极端载荷作用下，导管架结构可满足工程要求，确保结构的整体稳定。采用Abaqus软件对过渡段和吸力筒部分强度进行精确校核，计算结果表明两者的强度均满足设计和使用需求，具备足够的承载潜力和稳定性。分析表明新设计的吸力筒在复杂工程背景下表现出色，为类似工程的设计与优化提供了可靠参考依据，同时也丰富海上风电吸力桶基础的研究与实践。     

台风环境中典型海上风机结构的动力响应数值分析

基于COMSOL有限元软件,计算分析台风环境中风机结构承受的风荷载、波浪荷载和流荷载,建立典型大直径单桩与导管架基础风机结构简化模型,分析台风极端工况下风机桩基泥面和轮毂点的转角与位移动态响应,为台风环境中海上风机基础选型提供建议。     

迎浪状态下内转塔式FPSO船舶运动的短期预报

为预报FPSO在迎浪状态下的运动性能和结构强度,基于频域三维线性势流理论,计算FPSO在规则波中压载、半载、满载3种工况下的响应幅值算子,并对FPSO 3种工况下的运动、加速度和剖面关键载荷进行3h短期预报。研究结果可为FPSO总体结构强度、疲劳强度和屈曲强度分析提供运动和载荷数据。     

基于气动-水动-结构耦合模型的半潜风机动力响应分析

针对我国海洋环境条件,提出一种新型半潜式浮式基础,用于支撑5 MW海上风机。针对该新型浮式风机系统,采用叶素动量理论计算风轮所受气动载荷,采用三维势流理论计算基础水动力性能,分别采用杆单元和梁单元模型,基于有限元方法计算柔性体的动力响应。建立气动-水动-结构耦合的动力学分析模型,针对切入、额定和切出海况,在时域内计算风机的动力响应特性。计算结果表明：在不同作业海况下,新型半潜浮式风机基础运动性能良好,且系泊缆张力满足安全要求;风机叶片在风轮旋转平面外的变形显著大于风轮平面内的变形,且在额定海况下变形更大。     

深海大兆瓦级浮式海上风电结构强度分析

对深海大兆瓦级浮式海上风电结构设计分析中的关键问题进行研究。浮式风电支撑结构采用美国国家可再生能源实验室（NREL）的OC3 Spar平台为基准模型。分别选用5 MW、6.7 MW和8 MW风机,采用比例因子设计法提出对应浮式支撑结构设计方案。考虑风荷载与波浪荷载联合作用,进行操作工况和极限工况下浮式支撑结构水动力分析及强度分析,分别得到支撑结构响应幅值算子（Response Amplitude Operator,RAO）和结构关键节点应力响应随风机功率变化规律。提出大兆瓦浮式风电结构应力消减方案,经过验证,改进后结构应力显著降低。     

基于实测的海上测风塔结构动态响应分析

为了更真实合理地分析柔性结构在风载荷作用下的动力行为,建立海上测风塔结构的振动监测系统,并在2018年-2019年冬季开展现场监测。基于大量的实测数据明确柔性结构在风载荷作用下的振动特性。结合数值模拟,验证监测数据的合理性,并对极端风况下结构的振动响应进行预测。     

近海风电机组单桩式支撑结构载荷和动力响应的研究

近海风电机组的支撑结构承受风机载荷和风、浪、流等环境载荷的作用。基于动量-叶素理论得出发电机的控制策略,根据随机瞬时风速序列和发电机运行状态计算了近海风电机组单桩式支撑结构所受的风机载荷和风压作用,并通过Morison公式计算了浪流联合作用对支撑结构的载荷。用ABAQUS软件对支撑结构和海底土层建模,通过振型叠加法计算结构的动力响应,求出了结构顶端位移和速度以及结构最大应力的时间历程,并研究各种载荷对结构的影响。结果表明,风机载荷是结构动力响应的关键影响因素。     

组合载荷下海上风机塔架受力特性数值分析

研究组合载荷下海上风机塔架的受力特性。基于江苏启东海域6 MW海上风机资料，采用GH Bladed软件开展组合载荷下海上风机塔架的受力特性数值模拟，得到以下主要结论：与风载荷作用相比，在风载荷+波浪载荷组合作用下，风机塔架基础底面所受峰值剪力提升72.0%，峰值弯矩提升8.3%；波浪载荷对基础所受剪力和弯矩的影响显著，在相对波高为4时，基础底面所受相对剪力和相对弯矩分别为3.04和1.44；与风载荷作用相比，在风载荷+地震载荷组合作用下，风机塔架基础底面所受峰值剪力提升76%，峰值弯矩提升21%。研究成果可为启东海域海上风机设计及施工提供理论支撑。     

浮式风电装备动态响应敏感性参数分析

为研究各参数对浮式风电装备动态响应的影响程度,寻找响应变化规律和设计优化方向,根据海装6.2 MW浮式风电装备参数进行一体化仿真。结合规范要求、设计经验和环境条件特点,针对不同环境条件的重现期、风谱类型、波浪谱类型、极端阵风周期进行参数敏感性分析,得到浮式风电装备不同部分动态响应结果。结果表明：不同环境条件的重现期和组合方式对运动响应和锚链张力影响十分明显,对机组载荷的影响则与机组所处状态相关;风谱类型主要影响机组载荷,对平台运动和锚链张力影响不大,考虑空间相干性的湍流风谱结果最危险;波浪谱类型对运动幅值和锚链张力极值影响较大,在发电工况下对机组载荷的影响较小,但在空转工况下对机组载荷的影响较大;阵风周期对运动响应、塔筒载荷、机舱加速度影响相对明显,但对轮毂载荷、锚链张力影响不大。     

单桩式风电机塔架设计和强度计算

根据API(美国桩基规范)海上固定平台规划、设计和建造的推荐方法——工作应力设计法,以及DNV(挪威船级社)有关风电机的设计规范,应用SACS软件建立了2MW单桩式风电机组的塔架(包括桩—土)模型,并应用SACS软件计算出在外载荷下的各构件的内力、弯矩和应力,然后将计算出的与许用应力比较,再用ANSYS做了塔架的振动特性研究和塔架的挠度分析,最终得到塔架的尺寸。     

风浪联合作用下5 MW三桩固定式风机动力特性响应

以NREL 5MW为目标风机,参考OC3Tripod风机尺寸参数,考虑风浪联合作用,取水深45m,建立三脚架固定式近海风机整机模型,比较定常风、湍流风以及不同风速对应的风电系统工作状态对风机动力特性响应的影响。结果表明:在对风机结构进行强度校核时,出于安全考虑,应使用湍流风模型计算分析风机整机模型;风机在工作状态下会受到较大的气动载荷,需着重研究工作状态下的风机姿态和结构特性。     

海上风电单桩基础服役状态现场监测

为了解风电结构在复杂环境中的真实服役状态,对2个风电单桩基础机位先后开展结构振动监测和水下地形扫测,通过分析现场实测数据,分析包含振动特性和冲刷情况在内的风机支撑结构服役状态,并结合设计数据对实测结果进行讨论。现场测试分析结果可为海上风电结构的服役状态监测和设计优化研究提供参考。     

海上风力机耦合储能双浮动结构动力响应特性

针对目前海洋工程中弱连接双浮体系统约束较少导致的结构运动响应过大的问题,基于“一机一储”式结构概念,提出一种具有多约束的海上漂浮式风力机耦合氢储能双浮动结构。采用Ansys软件对一般海况下多约束双浮动结构的动力响应特性进行仿真分析,结果表明：耦合氢储能装置的风储双浮动结构在纵荡、纵摇和垂荡等3个主自由度方向运动响应较小;氢储能单元垂荡最大运动幅值仅为储能单元高度的7.21%。在一般海况下具有多约束的风力机耦合氢储能双浮动结构具有优良的运动性能。     

基于ARID控制系统的固定式海洋风机纵摇控制

针对固定式海洋风机在随机风浪载荷及其联合作用下产生的具有倒立摆运动特征的纵摇,研究采用主动转动惯量驱动系统(Active Rotary Inertia Driver, ARID)对海洋风机纵摇进行控制的问题。ARID控制系统通过伺服电机驱动转动惯性质量产生控制结构摆动的最优力矩,从而减小海洋风机的纵摇运动。基于拉格朗日原理建立海洋风机-ARID控制系统的理论分析模型;采用Simulink对海洋风机-ARID控制系统的有效性进行验证,并分析系统参数(控制算法参数、转动惯量比等)对控制效果的影响规律;设计海洋风机-ARID控制系统的振动台试验,设置多种载荷激励形式,验证控制系统的稳定性与广谱有效性。数值模拟和试验结果均验证了所建立的分析模型的正确性,表明ARID控制系统对风机的纵摇运动具有显著的控制作用,为ARID控制系统在具有倒立摆运动规律的工程结构中的应用奠定理论基础。