海上风力机橡胶及泡沫铝材料防护装置性能研究

为研究不同本构橡胶与泡沫铝材料用于海上风力机防护装置的抗撞能力,基于非线性动力学理论,采用LS-DYNA软件模拟吃水量5 000 t船舶低速撞击装配主体材料分别为Ogden橡胶、Mooney-Rivlin橡胶及Aluminum foam泡沫铝防护装置的4 MW单立柱三桩基础海上风力机过程,对接触力、撞深、能量耗散、损伤及塔顶运动进行分析。结果表明：Aluminum foam较Ogden与Mooney-Rivlin材料防护装置可降低最大接触力与最大撞深,其疏松多孔结构可吸收大量能量且降低反弹动能;在Aluminum foam材料保护下风力机塔架塑性变形与塔顶正向位移更小,安全性更高。     

基于分形特征的海上风力机防护装置设计研究

根据分形理论设计一种分形防护装置,基于非线性动力学理论,采用ANSYS/LS-DYNA模拟5000 t船舶与设有不同阶数防护装置的4 MW海上风力机碰撞过程,分析研究不同阶数防护装置的防护效果。结果表明：较橡胶材料实心防护装置,分形防护装置可有效降低接触力,延长接触时间;分形结构可提高防护装置内能转化能力,促进外层钢壳吸能,并提升橡胶内能耗散;分形防护装置应力峰值更低,高应力区域更广,可使更大面积材料发挥防护作用,有效降低撞深。不同阶数分形结构的抗撞性能与分形孔受撞后变形状况有关,其中一阶分形结构提升防护装置抗撞性能最优。     

海上风力机多层材料防护装置在船舶碰撞下动力响应分析

为研究橡胶-泡沫铝-钢结构新型防护装置不同厚度组合对碰撞过程中海上风力机结构动力响应的影响,基于非线性动力学理论,采用LS-DYNA软件模拟5 000 t级船舶与4 MW海上风力机单立柱三桩基础碰撞过程,对比分析泡沫铝和橡胶分别组成4种厚度防护装置海上风力机与船舶碰撞时系统能量转换、最大碰撞力及碰撞处的应力分布。结果表明:防护装置橡胶与泡沫铝厚度变化,橡胶对防护装置整体性能提高具有明显作用,同时抑制塔顶风力机动力响应效果显著。提出应力衰减率作为评估防护装置性能优劣指标,随着橡胶厚度与泡沫铝厚度改变,单立柱三桩基础所受最大碰撞力分别减少6.3%、12.7%,最大应力衰减率7.03%、4.8%,橡胶用于防护装置中整体性能优越,而泡沫铝可作为辅助材料迅速提高防护性能。     

防护装置对海上风力机-船舶碰撞动力响应影响的研究

建立国内某单桩柱的3 MW风力机与船舶碰撞模型,概念性地提出一种橡胶-钢结构防护装置,运用非线性动力分析方法,通过LS-DYNA模拟2 000 t船舶以不同速度撞击风力机塔架,研究防护装置对碰撞过程中塔架的动力响应特性影响并与无防护装置的塔架进行对比。结果表明:安装防护装置后对塔顶风力机的响应抑制效果明显;塔顶正负向最大位移、速度和加速度较无防护装置时分别减少了33%、50%和23.6%;塔架下端结构变形能大幅减少,塔架撞深小于无防护装置的1/10;防护装置能避免碰撞力集中施加于塔架上,使作用在塔架上的最大应力小于塔架材料的屈服强度。     

摩擦阻尼器对海上风力机塔架抗震性能研究

为分析摩擦阻尼器对近海单桩风力机结构抗震性能的影响,以单桩式NREL 5MW海上风力机为研究对象,基于有限元理论,建立三维多物理场模型,对多组实测地震下摩擦阻尼器在近海风力机结构抗震中的应用效果展开研究。结果表明：摩擦阻尼器对风力机塔顶振动具有显著控制效果,伪谱加速度最大时可使塔顶位移降低54.79%,但进入滑移状态后其无法复位的特性会导致风力机塔顶位移平均值无法恢复到震前状态;摩擦阻尼器可有效缓解因地震激励造成的塔壁应力集聚现象,Mises应力最大值降低17.96%;摩擦阻尼器对强伪谱加速度（PSA）地震导致的风力机塔顶位移及海床处弯矩控制效果更佳,而对弱PSA地震导致的结构响应控制效果则较为一般。     

风浪激励下的海上风力机振动控制

该文建立考虑桩-土耦合作用的单桩式海上风力机整机多体动力学模型,结合水动力和空气动力,借助Matlab/Simulink搭建风力机的联合仿真模型。对安装于机舱内的单调谐质量阻尼器（STMD）和多重调谐质量阻尼器（MTMD）系统进行设计,并在运行工况和泊机工况下进行仿真分析。研究表明,相比于正常运行工况,泊机工况下的调谐质量阻尼器（TMD）振动抑制性能更优,对塔基前后弯矩标准偏差有着最优的控制效果,且MTMD系统中TMD的数量与系统振动抑制性能存在非线性关系。     

海上风力机锥体结构抗振分析

为降低海冰与海上风力机撞击作用下的结构非线性动力响应,提出锥体结构防振模型并将其安置于风力机与海平面交界处。通过开发海冰载荷计算模块并与风力机多体动力学气动-水动-伺服-弹性仿真软件FAST结合,建立风-冰-结构多物理场耦合下的海上风力机动力学仿真模型。基于Croasdale与Karna方法计算海冰与结构碰撞,对比5组不同锥角下的结构动力学响应,研究锥体结构对海冰碰撞的减振降载效果。结果表明:未安装锥体结构时,海冰载荷、塔顶位移与塔顶加速度的幅值较大,且频率易与风力机发生共振;安装锥体结构后,随着锥角由70°减至40°,动态响应减弱,幅值分别减小79%、71. 8%与30. 8%,且频率均远离风力机固有频率,避免发生共振;塔基剪切力的最大值与标准差也因安装锥体而减小,其中最大值减小26. 9%,标准差减小67. 8%,降低风力机所受的疲劳载荷。     

基于复合地基反力法的单柱式海上风力机船舶碰撞研究

采用非线性有限元软件LS-DYNA模拟5 000 t的船舶与3 MW单柱式海上风力机碰撞过程,并采用复合地基反力法描述碰撞过程中土壤与桩相互作用,研究土壤与桩相互作用及船舶碰撞速度对海上风力机碰撞过程的影响,对比分析了碰撞力及海上风力机结构动力响应。研究表明:船舶最大碰撞力随着碰撞角度增大而减小,随着碰撞速度增大而增大;随着船舶碰撞速度增大单柱式海上风力机与船舶碰撞区域塑性变形逐渐增大;船舶碰撞速度增大到3 m/s时,风力机桩底产生塑性变形,继续增大到7 m/s时,风力机桩底产生塑性失效。     

基于混沌理论的海上风力机锥体结构抗冰研究

为分析在风载-冰载联合作用下海上风力机塔架动力响应非线性特性,以多体动力学仿真开源软件FAST为平台,建立冰-构耦合模型,通过自编程序开发风力机海冰碰撞模块,计算NREL 5 MW风力机在安装不同锥体角度的锥体结构及未安装锥体时受海冰激励作用下的塔顶振动特性,并基于混沌理论,采用相图法及最大Lyapunov指数法从定性与定量两个角度研究了塔顶振动信号的非线性特征。结果表明:未安装锥体及70°锥体结构时,塔顶振动具有明显的混沌特征,最大Lyapunov指数大于零,表现出非周期性的非平稳特征;随着锥体角度的降低,混沌特性减弱并消失,当锥角为40°与50°时,最大Lyapunov指数小于零,混沌特性消失,该结果与塔顶位移时域分析结果相吻合,表明锥体结构能有效减弱塔顶振动,增加风力机稳定性。     

桁架式支撑结构海上风电机组研究

本文基于国际能源署(IEA)课题30"海上风电机组动态学仿真软件和模型的比较"项目第一阶段桁架式支撑结构的海上风电机组仿真结果,针对海上风电模型复杂的特点,给出桁架式支撑结构细节,研究用BladedV3.80建立桁架式支撑结构的海上风电机组模型。与其他软件建立的模型比较质量和模态,验证海上风电机组的模型。     

海冰撞击下海上风力机结构耦合动力特性与损伤分析

基于NREL 5 MW单桩基础海上风力机，考虑桩土相互作用，建立包括冰与海上风力机结构的三维精细化相互作用有限元模型，考虑冰与结构的耦合作用，运用ANSYS/LS-DYNA开展海上风力机在风-冰联合作用下损伤分析与动力响应研究，并针对结构损伤变形提出面积受损率用于评估海上风力机的损伤程度，探讨不同冰厚对海上风力机结构损伤和动力特性的影响。结果显示，随着冰厚的增加，动冰力平均值、峰值均增加，海上风力机动力响应增大。相比于海上风力机结构其他区域，基础结构接触面处损伤最大。通过该文提出的面积受损率可合理反映海上风力机在不同冰厚作用下的损伤程度，冰厚不仅会影响单桩基础的面积受损率，还会影响受损率的线性变化速度。     

重力式海上风力机雷电暂态响应研究

针对重力式基础海上风力机的防雷保护问题,该文构建一体化电磁暂态模型,基于电磁暂态软件ATP-EMTP研究雷电暂态响应,并分析叶片长度、塔筒高度和桨叶旋转角度等关键因素的影响。仿真结果显示:雷击引起MV级的暂态电压变化,并呈现欠阻尼式振荡衰减,塔基处仍存在kV级的响应电压;桨叶长度和风力机塔筒高度均与雷电暂态响应幅值成正相关;当遭受雷击的叶片与水平面夹角呈90°时,机舱处暂态电压最高。     

地震、风、浪作用下融合海水养殖的海上风力机耦合响应机理研究

为实现海洋空间立体化,最大化经济产出,提出一种单桩基础海上风电机组（OWT）融合海水养殖的新型增殖型海上风电机组结构（MOWTAC）。该研究提出基于时域耦合数值仿真工具FAST v8的新型增殖型海上风力机水动力计算模型,建立新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下的整体耦合计算模型。进一步,开展地震组合工况作用下新型增殖型海上风力机整体结构动力响应计算。由计算结果可知,地震荷载为新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下海上风力机结构响应的控制荷载。相比于风浪联合工况,新型增殖型风力机在地震荷载激励下2阶频率对于结构响应的影响显著增加。     

钢-泡沫铝-纤维复合结构抗冲击性能数值分析

采用数值模拟的方法研究了冲击荷载作用下钢-泡沫铝-纤维复合结构(以下简称复合结构)的动力响应特性,并着重考察了面板厚度和芯层厚度对复合结构抗冲击性能的影响,寻找其规律,比较分析同质量复合结构中前置钢板与泡沫铝材料质量比重对其冲击性能的影响,寻找前置钢板与泡沫铝最优质量比,并对这种复合结构进行优化设计,为工程实际提供数据依据。结果表明,一定质量范围内,增加钢板厚度对复合结构抗冲击性能的提升要优于同质量泡沫铝,但钢板与泡沫铝存在一个质量最优比,在平面尺寸9.2 m×9.2 m、120 t级的复合结构(PE纤维和后置钢板定量)中这个最优比在0.97:1附近。相同平面尺寸150 t级的复合结构,最优比在0.75:1～0.83:1之间,考虑工艺要求和造价,选择前置钢板9.5 cm、泡沫铝54 cm时综合性能更好,可以抵抗300 m/s初始速度弹体,具有一定安全储备,其重量只有钢筋混凝土结构的1/5.67,体积只有钢筋混凝土结构的17%且抗冲击性能较其更优越。     

基于扰动观测的漂浮式海上风力机主动滑模结构控制研究

针对漂浮式海上风力机主动结构控制问题,提出一种基于扰动观测的主动滑模控制方法,并应用风力机仿真工具FAST验证所提方法的有效性。在扰动二阶导数有界的前提下,理论证明观测器的稳定性和估计误差的有界性,从而有效估计匹配扰动和非匹配扰动。理论证明一类积分型滑模面的有限时间收敛性和闭环系统稳定性。基于FAST的仿真表明：所提出的主动调谐质量阻尼器（TMD）控制方法与最优被动TMD相比,主动TMD系统的漂浮平台俯仰角度和塔顶位移的均方根值可分别降低11.88%和13.56%,有效提升了风力机承受风浪载荷的能力。     

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。     

基于粘滞阻尼器的单桩式海上风力机结构振动控制

为探究湍流风与地震联合作用下单桩式海上风力机的结构动力学响应与振动控制,以单桩式NREL5 MW海上风力机为研究对象,采用有限元法建立三维壳模型并基于二次开发将体等效线性模型集成于ABAQUS中,通过附加粘滞阻尼器对地震诱导风力机振动进行控制.结果表明:粘滞阻尼器能够大幅降低地震导致的风力机塔顶振动,但对湍流风引起的塔...     

海上风机支撑结构疲劳性能试验研究

  目的  针对海上风机支撑结构的疲劳问题,进行了外加强环过渡段结构疲劳性能的试验研究。  方法  采用简化的支撑结构1/5缩尺模型进行了静力与疲劳试验,获得了模型的热点应力和疲劳寿命;并根据DNV的海上风机规范,采用不同类型单元对试验模型进行了有限元分析和疲劳寿命估算,将规范方法的计算结果与试验进行了比较。  结果  结果表明:试验结果和规范方法之间的差异主要源于S-N曲线的选取。  结论  最后根据试验数据,在DNV规范的基础上给出两种改进的疲劳校核方案,可为实际应用提供指导。     

地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构减振策略

针对中国部分近海海上风电场位于高烈度地震区而面临地震潜在威胁的问题,提出地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构整体耦合分析方法,开发地震荷载计算模块,基于FAST v8建立海上风力机地震整体耦合分析模型。根据整体耦合模型,揭示了地震风浪作用下海上风力机运动响应特性以及机电安全控制策略在减振方面存在的不足。进一步提出机电安全控制-MTMD联合减振控制策略,并探讨叶片顺桨速率对联合控制策略减振效果的影响;同时,以海上风力机结构地震响应为评价指标,对该联合控制策略的有效性进行了验证。     

单桩海上风力机风致振动变阻尼控制研究

风致振动是大型风力机发生破坏性事故的主要原因.为探究半主动控制在近海单桩风力机风致振动控制中的应用效果,基于ABAQUS有限元软件二次开发了风力机半主动控制模块,以单桩式NREL5 MW海上风力机为研究对象,通过磁流变阻尼器对Bang-Bang控制、改进Bang-Bang控制及Lyapunov控制3种半主动控制算法在单...