水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。     

大型水平轴风力机塔筒涡激振动焊缝疲劳分析

为了实现大型水平轴风力机塔筒在涡激振动下的抗疲劳设计,提出综合GL 2010认证规范、德国标准等的校核方法。分析对比有限元法和GH Bladed软件下的塔筒动态固有特性结果。基于DIN 4133标准,分析得到涡激振动下的塔筒截面惯性力和附加弯矩。采用工程算法计算得到塔筒截面应力变程,推导涡激振动引起的疲劳损伤表达式。以某2.0 MW水平轴风力机塔筒为对象,计算不同方案下的疲劳损伤值,分析沿塔筒高度方向的损伤分布规律。为风力机塔筒涡激振动引发的疲劳损伤分析提供实用分析方法。     

风电机组高柔塔二阶涡激振动特性研究

针对现有风电机组涡激振动研究侧重于无顶部质量刚塔的一阶涡激振动,忽视有顶部质量高柔塔的二阶涡激振动的不足,开展高柔塔二阶涡激振动特性研究.首先,基于GH Bladed软件建立高柔塔风电机组模型,并通过模态分析得到高柔塔二阶固有频率及模态振型;然后,基于涡激振动相关标准,计算二阶涡激振动作用时各高度处的惯性力;最后,以某...     

风力发电机组塔筒涡致横振研究

文章应用计算流体力学(CFD)及有限元数值分析方法分析了FD82E型2MW抗台风机组的塔筒横向振动问题。根据雷诺相似准则,通过CFD方法研究了涡激振动产生的升、阻力系数及其频率同雷诺数的关系。运用有限元方法计算了塔筒的模态,分析了塔筒在涡激振动下的谐响应,并校核了激振力导致共振时塔筒结构的安全性。对机组吊装的风速条件进行论证分析,为现场吊装提供理论依据。     

额定风速下装配式UHPC风电塔筒静力与疲劳性能

随着风电装备对超高高度风电塔筒需求的增长,装配式混凝土-钢混合塔筒正逐渐成为主要形式。超高性能混凝土（UHPC）因其优异的力学性能,是进一步改善高塔受力性能的有效途径。文章以轮毂高度为120m的UHPC装配式风电塔筒为对象,基于ABAQUS开展了额定风速下的H120型塔筒静力性能研究,分析获得了3种UHPC抗拉强度等级下沿该塔筒迎风面和背风面主要控制截面的应力水平。采用有限元软件FE.SAFE研究了塔筒的整体疲劳性能,分析了疲劳载荷下的塔架寿命、安全系数及疲劳失效概率,获得了考虑疲劳载荷后的塔架寿命和安全系数值,给出损伤局部分布特征,为H120型高性能塔筒结构方案分析与设计提供了依据。     

风力发电机组塔筒随机振动疲劳分析方法研究

文章采用ANSYS对风力发电机组塔筒进行随机振动分析,通过分析塔筒振动响应结果,得到塔筒共振频率并验证其安全性。利用振动分析结果,采用Steinberg提出的基于高斯分布和Palmgrem-Miner理论的三区间法进行塔筒振动疲劳分析,找出疲劳损伤危险区域,并为塔筒设计提供建议。     

考虑叶片旋转与土构耦合作用的海上风电机组塔筒动态特性研究

基于有限元软件Ansys对NREL 5 MW单桩式海上风电机组塔筒系统进行三维实体建模,分析了叶片旋转状态和桩基土构耦合作用对塔筒振动特性的影响。结果表明：考虑叶片旋转产生的离心力和离心刚度时,土构耦合作用会显著降低塔筒前两阶模态频率,其相对变化量分别为-31.68%和-31.74%,同时会增大塔筒瞬态位移响应,塔筒顶部在前后方向和侧向上的最大位移比底部固定约束时分别增大86.94%和46.59%;在叶片旋转与土构耦合共同作用下,塔筒等效应力显著增大,最大等效应力增大了57.38%,塔筒的一阶及二阶模态频率会在转速9.5 r/min附近与叶片1P转频产生共振点,而在额定转速以内不会与叶片3P转频产生共振。     

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。     

大型水平轴风力机塔筒焊缝强度分析

为实现某大型水平轴风力机塔筒截面焊缝强度设计,介绍了DIN18800-4应力计算的工程算法,针对2.0 MW直驱型风力机塔筒某一截面进行极限强度校核。根据疲劳载荷分类,提出等效疲劳损伤和时序疲劳损伤两种不同计算方法。推导了等效疲劳载荷、等效疲劳应力与等效疲劳损伤的计算公式。针对某一截面对等效疲劳损伤和时序疲劳损伤进行分析计算和结果对比,给出两者等价性条件与适用条件。结果表明,被校核的截面焊缝满足强度设计要求。提出的方法在大型水平轴风力机塔筒截面焊缝极限强度与疲劳强度分析上具有可行性和有效性。     

基于有限元方法的风电机组塔筒及法兰优化设计

采用有限元软件ANSYS以某型76m高风电机组塔筒为基础,运用形状优化和尺寸优化,优化设计出该风电机组66m塔筒,同时对优化后的方案进行了校核,保证新设计塔筒满足强度、振动要求;采用ANSYS Workbench中的多目标优化工具Design Explorer/VT结合结构优化理论,对新设计66m风电机组塔筒中部连接法兰进行了优化,根据实际要求建立优化分析模型,以满足强度要求且使用材料最少为优化目标,通过计算得到了满足设计目标的最优方案,相比原始方案,优化后的法兰内表面和过渡圆角的应力分布更加均匀,并且总质量比起原始方案减少了780kg,优化效果显著。     

大型风电机组塔筒门洞的参数化优化设计

风电机组塔筒结构的薄弱处是门洞,门洞设计的好坏将直接影响到塔筒整体的可靠性。借助CAE工具ANSYS Workbench对大型风电机组塔筒门洞进行参数化建模,并将决定门洞形状的3个参数（椭圆长轴RMX16、短轴RMN18和直边H21）作为输入参数,von mises应力作为输出参数,设优化目标为应力最小,得到优化后门洞形状为椭圆形。实践证明,利用结构优化设计的理念,对塔筒门洞进行形状参数优化,可以求得最优塔筒门洞形状,用以提升塔筒的可靠性。与常规结构设计方法相比,采用优化设计方法,显著提高了设计效率、设计品质,而且节约了设计成本,可以在风电机组的产品设计中推广应用。     

大型水平轴风力机塔筒门洞的强度研究

为了实现某大型水平轴风力机塔筒底部门洞的抗极限与疲劳强度设计,基于热点应力法,建立塔筒门洞的有限元模型,并应用疲劳分析软件,分析计算得到门洞焊趾处的极限与疲劳强度。在此基础上,考察门洞结构参数如门框宽度、门框长度、塔筒壁厚对焊趾疲劳损伤的影响,并给出相应的结构优化方案。结果表明,所提出的方法在大型水平轴风力机塔筒门洞设计上具有可行性和有效性。     

基于致动线和大涡模拟的不同入流风况下的风力机尾流特性研究

风力机的尾流效应是风电场规划与设计中需要考虑的重要因素之一,准确评估风电场的尾流效应对于风电场微观选址、保障机组运行安全、提高风电场经济效益有着重要的意义。文章以NREL 5 MW风力机为对象,基于致动线和大涡模拟方法,研究其在均匀入流和切变入流等不同风况下风力机的尾流特性,入流风况分别为在不同风速下的均匀大气入流和在不同地表粗糙度情况下的切变大气入流。研究结果表明:入流风速增大,尾流区螺旋状叶尖涡的涡间距增大,尾流速度恢复的距离越长;地表粗糙度长度增加,在塔筒竖直方向内相同高度对应的风速减小,导致塔筒产生的阻力减小,风力机塔筒形成的涡更容易发生脱落和破裂,进而导致脱落涡的涡量值增加。研究结果有助于准确地理解风力机尾流发展变化规律,为风电场微观选址、风力机功率预测等工作提供理论支持。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

大型风电机组塔筒应力监测点的选取与预警

针对大型风电机组塔筒应力监测缺失的情况,提出基于ANSYS软件应力点的选取和person相关系数法与灰色神经网络相结合的塔筒应力预警方法。通过软件分析和现场实验,研究风电数据和塔筒应力的关系并进行塔筒预测,并首次应用到风电机组塔筒监测中。通过实例分析验证,结果表明,该方法能够有效地进行塔筒应力监测,为风电机组塔筒的检测提供依据。     

考虑时变气动阻尼的风电机组塔筒地震响应分析

为了分析时变气动阻尼对风电机组塔筒地震响应的影响,首先分析了塔筒所承受的地震载荷和气动载荷,然后基于气动载荷和相对风速之间的导数关系推导了塔筒前后和左右方向上的时变气动阻尼计算方法,将地震加速度和时变气动阻尼引入到塔筒动力学运动方程中并进行时域求解,以某2.0MW风电机组塔筒为例进行地震响应计算,分析了影响气动阻尼大小的翼型气动特性,并着重研究了地震作用下时变气动阻尼对塔顶振动位移的影响程度,为风电机组塔筒抗震设计提供一定参考。     

海上风电全钢质筒型基础波浪疲劳分析与优化

疲劳是控制海上风电基础结构安全的主要因素之一，针对海上风电全钢质新型筒型基础结构疲劳问题展开研究，基于随机波浪理论与频谱分析方法，阐述了长期海况分布下结构交变应力服从Rayleigh分布的疲劳损伤累积计算方法；借助全钢质海上风电筒型基础基于前述理论开展了疲劳损伤与寿命计算，获得筒型基础主要的疲劳破坏点集中在斜撑与圆柱体连接的位置，并基于此进行了结构局部优化，结果对比表明关键部位的几何优化可极大降低应力集中程度，减小疲劳累积损伤，同时也验证了疲劳计算结果对热点应力水平具有高敏感性。     

海上风电筒型基础整机运输过程荷载识别研究

根据某3.3 MW海上风电筒型基础整机运输期原型观测数据,首先采用加速度响应探究环境要素对整机振动影响。其次依据应变-荷载原理计算塔筒底部截面弯矩,并统计全程计算弯矩幅值,分析塔筒承受荷载随环境要素变化规律。结果表明：1）波高从0.2 m增加到2.0 m时,加速度均方根增加98%,波高是引起整机耦联振动的主要因素;2）波高小于1.0 m时,塔筒底部识别弯矩在0~10 MN∙m范围内波动,占设计弯矩的21.5%,波高增加到1.5 m时,识别弯矩幅值基本在10~25 MN∙m范围内波动;3）波高达到2.0 m时,塔筒底部弯矩幅值达32 MN∙m,占设计弯矩的68.9%,整机结构仍在安全范围内;4）运输期根据波浪条件预测制定运输方案,整机应在不超过2.0 m波高条件下运输,保证整机结构有富裕的安全空间。     

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。     

基于Schmidt-Neuper算法塔筒螺栓疲劳强度研究

为实现某大型水平轴风力机塔筒法兰螺栓的抗疲劳设计,提出基于Schmidt-Neuper模型的疲劳强度校核方法。由单扇面法兰系统刚度分配比例,建立螺栓内力与外界拉力的非线性关系。通过载荷线性插值得到螺栓时序应力,由雨流计数和累积损伤计算得到整圈螺栓疲劳累积损伤分布,并进一步找到最大累计损伤位置。在此基础上,计算并分析螺栓预紧力、螺栓数量与法兰厚度对最大累计损伤的影响。结果表明,所提出的方法和流程在塔筒螺栓疲劳强度分析与校核上具有可行性和有效性。