风波联合载荷下海上风力机塔筒的疲劳寿命预测

海上风力机塔筒身处复杂多变的海洋环境中,其受到风载荷、波浪载荷和海水腐蚀等多方因素影响。为了保证塔筒在其寿命周期内可靠运行,针对南通沿海2.5 MW海上风力机塔筒,根据特定海区的服役工况,研究了其结构形状和单一工况下的风波联合载荷特征,设计疲劳试验方案并获得了塔筒材料Q345D在海水腐蚀下的S-N曲线,在ANSYS Workbench中对塔筒进行了结构瞬态分析和疲劳寿命预测。仿真结果表明:2.5 MW海上风力机塔筒的预计服役寿命为46年,超过了其设计寿命20年,保证了海上风力机工作可靠。     

极端风速条件下风力机结构动力响应特性研究

为评估极端风速条件对风力机动力响应的影响，掌握风力机运行中的不利风速条件，以某2MW陆上风力机为例，基于FAST软件分别进行极端运行阵风、极端方向变化、垂直极端风切变和水平极端风切变四种条件下的风力机动力响应计算，并将结果与稳态风作用下的结构响应对比，分析不同极端风速条件对风力机动力响应的影响。算例结果表明，垂直极端风切变对叶根挥舞弯矩变化幅值最大；俯仰弯矩是塔底的控制载荷，在持续极端风速条件的范围内，极端运行阵风是塔底俯仰弯矩的最不利风速条件；当出现极端风向变化且未进行风力机偏航操作时，载荷与振动幅值将高于原有水平，加剧风力机结构发生疲劳破坏的风险。     

系泊失效后漂浮式风力机平台动态响应研究

深海漂浮式风力机平台稳定性是保证系统安全运行的基础，其系泊在风、浪及海流等动态载荷周期性作用下引发蠕变后会加速腐蚀，从而导致系泊失效。为了研究系泊失效后风力机所受载荷对平台动态响应的影响，参考Barge平台的NREL 5 MW风力机建立了漂浮式风力机整机模型，通过对AQWA的二次开发实现了与FAST间的实时数据交换，开展了漂浮式风力机的风波耦合数值仿真。结论表明：系泊失效后漂浮式风力机平台响应增大、风力机的结构安全性降低。其中，迎风侧系泊失效对平台影响最为明显，尤其是横荡和艏摇方向受到的影响更大，失效后的最大响应幅值分别为失效前的6.3倍和9.7倍。     

地震及多风况下风力机塔架动力响应

为分析不同风速的湍流风与地震联合作用下大型风力机塔架动力学响应,以美国可再生能源实验室(NREL) 5 MW风力机为研究对象,基于考虑土-构耦合效应的Wolf理论,利用动态入流理论及Prandtl理论修正的叶素动量理论计算气动力,基于FAST软件预留数据接口开发了地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震联合作用下的风力机仿真模型;计算了5组风速与30种强度地震耦合共150种工况下的风力机塔架动力学响应。结果显示：额定风速下,塔顶位移响应受地震激励影响明显;低风速下地震作用对塔架加速度响应影响较大,高风速的湍流风会加剧塔架剪切力和弯矩响应;湍流风与地震联合作用时,塔顶位移及剪切力和塔基剪切力及弯矩的临界地面加速度峰值随风速的增大先增大再减小,塔顶加速度的临界地面加速度峰值在高风速下随风速增大而增大。     

地震诱导紧急停机状态下近海风力机动力特性研究

为研究超大型单桩式近海风力机在紧急停机状态下的动力学特性，以DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象，建立风浪相关的湍流风-波浪-地震载荷多物理场模型，通过p-y曲线法、Q-z曲线法及Winkler模型构建土-构耦合模型，对比研究其在正常运行、停机及紧急停机状态下的动力学特性。结果表明，风力机在停机状态下受地震载荷影响最大，较未发生地震，其塔顶前后向及侧向位移极差分别增加249.22%及1 869.14%,支撑结构剪应力峰值增加约333.33%。在进行紧急停机操作时，由于叶片变桨作用，致使支撑结构剪应力及塔架应变能大于同时刻正常运行状态。紧急停机操作，加大了塔顶位移范围，使塔顶振动中心向湍流风来流方向偏移，同时有效缓解风力机在外部载荷作用下所造成的支撑结构剪切力激增及塔架前后向应变能集聚现象。     

风力发电机塔筒的抑摆仿真分析

以风力发电机塔筒为研究对象,采用MSC Cradle软件计算塔筒在不同风载荷下的流场分布,得到塔筒四周的风压。应用MSC Adams软件搭建塔筒在有阻尼器和无阻尼器时的刚柔耦合动力学模型,进行动力学仿真分析。通过分析确认,加装阻尼器能够抑制塔筒顶端的摆动,效果显著。     

基于TMD控制的风力机结构抗震研究

湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制,以NREL 5 MW风力机为研究对象,通过Wolf方法建立土-构耦合模型,基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块,通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明:地震载荷极大加剧了塔架侧向振动,激振频率为塔架一阶侧向固有频率;TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小,其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%,标准差减小了67%,塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低,高达90%;塔顶侧向加速度变化幅度降低4%,标准差缩小了61%,塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明,TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制,提高风力机运行稳定性。     

风电机组塔筒载荷的测试与分析

以风电机组塔筒为研究对象,对风电机组塔筒载荷特性及计算方法进行分析研究。在介绍塔筒载荷测试主要参数及方法的基础上,采用应变测试方法,对一台1.5 MW风电机组塔筒在启动、运行、正常停机等多种工况及不同平均风速下进行载荷测试,得到了塔筒根部弯矩、转矩及1阶固有频率,并与仿真计算结果进行了对比。结果表明,实测结果与仿真结果接近,仿真模型可用于机组载荷计算和动态性能分析。     

抗震风力机结构设计载荷需求研究

为研究风力机结构设计载荷需求与抗震强度之间的关系,通过Wolf方法考虑土-构耦合效应,并基于开源软件FAST建立通用的风力机地震工况动力学仿真模型。以AOC 50 k W、Wind PACT 1.5 MW和NREL 5 MW三台不同功率的风力机为研究对象,计算101种不同强度地震与湍流风联合作用下,三台风力机在不同运行方式下的结构动力学响应。结果表明:地震载荷加剧了风力机塔顶振动,在加速度峰值为2.14 m/s~2的地震作用下,NREL 5 MW风力机机舱加速度波动范围增大4.7倍。由此诱发紧急停机,叶片顺桨过程中使得气动阻尼急剧降低,从而导致结构载荷发生增幅振荡,说明地震发生时,紧急停机操作并不能有效降低塔顶振动。在高强度地震工况下,塔基弯矩最大响应值与设计地震加速度峰值之间为线性关系。提出了一种新的塔基结构强度设计需求预估模型,在不同强度地震范围均有较高的拟合度,可为抗震型风力机结构载荷设计提供较高的参考价值。     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

风力发电机在地震-风力作用下的载荷计算

为了对风力发电机在地震一风力作用下的受力情况进行仿真计算,采用多柔体系统动力学理论建立了风力发电机结构动力学分析模型,并在FORTRAN下编程实现;采用动态入流理论进行气动载荷计算,用Eurocode8生成地震谱。以某企业开发的大型风力机为对象,应用该方法,首先进行了模态分析和地震载荷谱计算,同权威计算软件GHBladed计算结果的比较表明,建立的计算模型正确可行;然后,对该风力机在地震一风力联合作用下的载荷进行了计算,结果显示,此时风力机所受载荷比正常情况下高出许多。     

风电塔筒在三种工况下的静动态研究

为了预防和监测风电塔筒发生倾倒和断裂,我们对风电塔筒做了静态和动态分析研究。通过FEA有限元分析方法,通过ANSYS12.0有限元软件我们模拟出了在实际环境中运行的风电塔筒有限元模型,从而很好地得到了风电塔筒在运行中受力薄弱点以及缺陷易发生的位置。进而,我们通过FEA方法分别研究了风电塔筒在三种工况V=10.6m/s,25m/s,75m/s下的静态和动态状况。实例表明,我们得到了风电塔筒可以在三种工况下安全运行的条件,与此同时,也得到能够满足塔筒设计的应力应变需求。通过对2MW 69m的风电塔筒做静态和动态研究,静态研究表明塔筒最大位移偏移量出现在塔筒顶端,同时,最大应力出现在塔筒底部;另外,塔筒动态结果表明低阶频率是引起共振的主要原因,而高阶频率影响很小。总之,我们所研究的2MW 69m风电塔筒满足设计和运行要求的前提下,可以做到故障早期发现和监测。     

极端载荷下风力机耦合动力学分析

在极端载荷作用下,风力机结构会产生振动和变形,影响正常运行,严重时会导致风力机损坏。因此,风力机设计必须考虑其耦合振动稳定性。通过对风力机模型的简化,建立了在极端载荷作用下由叶片、机舱、塔架组成的风力机系统动力学模型和运动方程。利用Matlab/Simulink仿真软件进行振动模拟仿真,仿真数据同实验数据比较,结果表明该模型可以较好的模拟风力机在极端载荷作用下的振动特性,对于提高风力机的总体性能以及风力机的总体设计具有重要的理论价值和实践意义。     

依靠塔筒承压实现海上风机整体安装的结构稳定性研究

依靠塔筒承压来整体安装风机,塔筒受力后的稳定性与结构强度成为关键性问题。应用有限元软件ANSYS研究了风机塔筒受局部轴对称横压载荷、刚性约束下的非轴对称横压载荷作用下的结构稳定问题,分析了刚性约束和横压载荷的圆周分布对风机塔筒的极限屈曲承载能力的影响规律。风机塔筒受力时不能出现塑性变形,进而对风机塔筒在刚性约束下的应力进行分析。ANSYS计算与实验结果均得到大径厚比圆柱壳屈曲时已进入塑性变形,即其强度成为限制其受横压载荷的主要因素。合理分配约束与载荷,为采用刚性抱箍在塔筒上产生承载的摩擦力,进而为实现风机整体安装奠定了基础。     

基于混合仿生设计的风力机塔架

本文为风力机塔架的混合仿生设计提供了一种方法。为提高风力机机组整体安全性，基于混合仿生设计方法，提取竹子竹节和问荆草茎截面特征，构造了由外塔筒、内塔筒、法兰盘（加强节）和加强肋板组成的两种仿生塔架（FS1和FS2）。运用ANSYS Workbench软件对比研究原型塔架和两种仿生塔架的静动态性能和屈曲稳定性。结果表明：内塔筒为圆形的FS1塔架力学性能更好。与原型塔架相比，FS1塔顶最大位移和门洞附近的最大等效应力分别降低了17.6%和23.83%,1阶固有频率和1阶临界屈曲载荷分别提高了5.2%和23.12%，充分证明仿生塔架FS1具有更好的抗弯性能和稳定性。     

风力机叶片三维建模与力学特性分析研究

风力机叶片的三维建模与静力学和动力学分析是开展风力机叶片可靠性分析和优化设计的前提。通过给定翼型的二维离散坐标点来计算叶片上位置叶素所对应模型信息,结合三维建模和有限元分析软件,开展了入流风载荷作用下叶片的静强度、模态和谐响应分析,获得了叶片结构的最大应变、应力、典型振动模态和（0～120）Hz激励频率作用下变形量的频响峰值,为大中型风力机叶片（基于疲劳失效）的结构优化设计和可靠性分析提供重要参考。     

风轮和塔架耦合作用和旋转效应对大型风力机动态响应的影响

通过自行编制的风剪切和Davenport脉动风谱程序建立了更加贴近实际工况的风场,以UG建立的5 MW大型风力机实体模型作为研究对象,基于单向流固耦合技术(UFSI),运用有限元软件Ansys数值模拟了不同转速下考虑风轮-塔架耦合作用的风力机结构动态响应。结果表明:叶轮与塔架耦合作用会显著增大叶片与塔架的最大位移和应力响应值;耦合作用使得叶片最大应力由相对翼展0.5处移动到0.7处且塔架出现多处应力极值;需考虑结构间耦合与旋转效应的联合作用时,才能得到风机准确的运行参数。     

极限载荷作用下风力机叶片跨尺度分析

跨尺度分析是风力机叶片力学性能研究的重要方法,首先对风力机叶片在极限载荷作用下进行有限元分析;然后结合最大正应力准则及桥联模型将叶片的宏观响应传递到细观模型,对叶片进行细观失效分析;最后依据Tsai-Wu失效准则和层合板理论将细观材料强度转换为宏观层合板强度,对叶片进行宏观失效分析。仿真与理论的结果表明：根据该方法可以判断风力机叶片在不同尺度下是否出现失效以及出现的失效形式;同时可以完成跨尺度的材料强度预测,对风力机叶片的失效预测具有重要的工程价值。     

考虑风轮和塔架动力耦合的大型风力机流固耦合动态响应分析

通过风剪切和脉动风谱程序建立了模拟工况的风场,以某大型风力机实体模型作为研究对象,运用有限元软件ANSYS数值模拟了流固耦合作用下风力机结构动态响应。结果表明:与脉动风相比,风剪切对叶片的最大位移和应力影响更显著;叶轮与塔架耦合作用会显著增大叶片最大位移和应力响应值;考虑耦合作用后叶片最大应力由相对翼展0.5处移动到0.7处。该研究结果可为风力机的优化设计提供技术参考。     

湍流模型下风力机叶根螺栓动载强度分析

叶根螺栓作为风力机叶片的重要连接紧固部件,在风力机运行过程中具有重要作用.以2 MW风力机叶片与变桨轴承连接螺栓为研究对象,建立了三维湍流气动载荷、重力载荷和离心力载荷作用下的风力机叶根螺栓动态强度分析模型.在正常运行与部分螺栓断裂失效两种情况下,通过有限元分析得到叶根连接螺栓的应力分布.与传统螺栓强度分析相比,能够得...