桅杆结构随机风振的离散分析法

风致振动是桅杆结构安全性的控制因素。由于这种结构存在频谱密集的动力特性,不适合采用振型迭加法进行分析。为此本文引入一种新的频域方法计算桅杆结构随机风振响应。基于随机振动的离散分析理论,推导出白噪声激励下结构动力响应的递推公式。经过对风荷载这种有色噪声进行白噪声滤波,桅杆结构的风致振动描述为白噪声激励下的随机振动。于是离散分析理论适用,推导出桅杆结构随机风振响应的递推公式。采用线性化模型时,该方法绝对收敛。计算结果表明,当桅杆结构处于正常使用状态时,采用离散分析理论可以得到满意的精度。     

软式平流层飞艇气弹模型相似参数分析

软式平流层飞艇具有较大的尺寸,基于风洞试验探讨其气弹响应特性时,需要缩比模型取代全尺寸模型。缩比模型的试验结果能否准确地预测原型结构的位移响应,与相似性设计直接相关。该文以设定的某软式平流层飞艇为原型对象,基于量纲分析法推导了模型的相似准则;建立软式平流层飞艇的有限元模型,对不同相似比对应的缩比模型进行了自振及风振响应分析,获得对应的振动频率与位移响应;统计确定了各相似准则对结构振动频率及位移响应的影响程度;对影响程度较大且无法满足相似条件的偏差进行了评估,且给出相应的补偿修正。结果表明：风速偏差的影响可以忽略;蒙皮面密度对位移响应的影响可以忽略;蒙皮张拉刚度及压差的相似偏差,对振动频率及位移响应都有较大的影响。     

超高层建筑横风向气动刚度研究

为了研究超高层建筑横风向气动刚度,进行了多自由度气弹模型试验,以直接测量模型在不同风速下的振动频率,用该频率相对于自振频率的改变量作为气动刚度的评估指标。分析了结构阻尼比、风场粗糙度、模型密度、折算风速、高宽比、涡振位移等因素对气动刚度的影响。结果表明：在共振临界风速附近,气动刚度造成风振频率改变量可达自振频率的10%;频率改变量随折算风速呈“V”字形变化,在折算风速小于8时,频率改变量通常为正,在共振临界风速附近频率改变量最大,折算风速大于12时,频率改变量保持稳定且略小于结构自振频率。由于涡振位移和气动刚度的相互作用,结构阻尼比越小、风场紊流度越小、模型高宽比越大、密度越小则频率改变量随风速变化的“V”字形越尖锐。最后提出了名义折算风速和实际折算风速的概念,并建立了气动刚度的简化估算模型。     

湍流风与地震联合作用下风力机塔架振动非线性特征研究

为研究湍流风与地震联合作用下大型风力机塔架动力学响应非线性特性,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于模态截断法建立塔架模型,在考虑土体-结构耦合的基础上,通过开源软件FAST预留接口开发地震载荷计算模块。基于标准地震反应谱获得150组不同强度的地震,与额定风速的湍流风联合作用于风力机,研究发现:地震作用对塔架加速度影响较大,塔顶来流方向振动受湍流风影响较大,地震激励引起的振动能量可通过气动阻尼耗散,而塔顶侧向振动能量只能通过结构阻尼耗散,侧向塔顶振动频率主要为风力机结构一阶固有频率。此外,基于混沌理论,采用相图法和最大Lyapunov指数法从定性和定量两个角度分析了塔顶位移的非特性特征。结果表明:不同工况下塔顶位移时间序列的三维相图呈现出奇异性且最大Lyapunov指数均大于0,说明塔顶位移响应信号具有混沌特征。     

基于非Gauss风载的高耸结构风振可靠性分析

基于风载非Gauss模型推导了Davenport谱下结构脉动风载的五阶统计矩表达。通过响应概率特征函数和Fourier变换,求得Gram-Charlier级数形式的振形位移和速度响应联合概率统计分布。利用Rice公式和Poisson假设,研究了不同风载模型对高耸结构风振可靠性分析结果的影响。算例分析表明:高耸结构风振可靠性分析需要采用风载非Gauss模型;模态位移和速度响应的联合概率统计分布在截断于五阶Hermite多项式时具有较好精度;可以引入模态位移与速度独立性假设以简化高耸结构风振可靠性分析,计算结果是偏于安全的。     

碟式太阳能光热发电系统机架结构风振响应的时域分析

针对大型碟式光热系统抗风运行的机架风致振动问题,以研制的25KW级碟式机架为对象,阐述了复杂机架结构的有限元建模方法,并通过静力承载和机构传动角的分析,指出了高度角驱动机构的不足并予以改进,进而对比分析了改进前后机架多高度角工况的自振特性。基于线性滤波AR法模拟得到25组工况的脉动风载荷(平均风速16.0m/s),开展了改进机架的风振时域求解。分析了机架关键节点的位移响应均方根和峰值分布特征,并对典型工况的机架位移响应进行了频谱分析,给出了各工况机架关键节点的位移风振系数,为机架结构设计提供参考。结果表明,机架结构位移响应是以脉动载荷的强迫振动为主,并伴有多阶振型参与的共振响应。机架控制点的位移峰值和位移均方根的分布特征相似,且沿焦轴的响应分量均是占主导地位,机架振动主要为机架视日部分绕高度角轴线的旋转运动。     

超高层建筑涡激振动不稳定现象分析

为了研究方截面超高层建筑涡激振动不稳定现象的特点及原因。进行了多自由度气弹模型风洞试验,对模型表面风压和模型顶部涡振位移进行了同步测量;定性分析了模型表面风压和涡振位移响应的瞬时频率及瞬时相位关系。结果表明:在共振临界风速下,涡振位移幅值并不稳定,涡振位移时程曲线表现为间歇性的"葫芦波";并且,模型表面风压频率和模型风振频率并不是一个恒定的值,二者时程的相位差一直处于波动状态,即没有构成一方"俘获"另一方的"锁定"现象;说明超高层建筑实际共振并不是理想的稳定共振,瞬时风压频率和位移频率的动态差异是涡激振动不稳定现象的直接原因。     

风雨激振中斜拉索倾角对水线及拉索振动的影响

应用基于滑移理论的两自由度风雨激振模型,借助Comsol软件求解水膜运动方程中的风压力系数和风摩擦力系数,通过数值求解耦合的水膜运动方程和拉索振动方程,得到了不同倾角的斜拉索表面的上水线运动规律、拉索气动力变化规律及其振动响应;通过分析三者之间的内在联系探究拉索倾斜角度对风雨激振的影响。结果表明:斜拉索倾角对于起振风速区间的影响不大;拉索横风向及顺风向振幅均随倾角的增大而减小;上水线振荡频率在拉索倾角较小时接近拉索的自振频率,而当倾角较大时远大于拉索的自振频率;上水线在拉索自振频率附近的振荡幅度随拉索倾角的增大而逐渐减弱,导致气动力变化在拉索自振频率附近的能量越来越小,致使拉索振幅不断减小。     

风力机叶片挥舞摆振气弹失稳分析

为避免风机叶片在强风作用下发生破坏,需对其采取停机保护措施。该文研究叶片处于非旋转状态时的挥舞摆振气弹失稳现象发生的条件。基于风力机叶片简化模型,采用迭代法求解叶片的自振频率及振型,建立了非旋转叶片挥舞摆振气弹效应响应的振型叠加法,该方法可以便捷地进行叶片多工况气动弹性响应分析。计算了在不同风速不同攻角条件下叶片的挥舞摆振气弹效应响应,得到了叶片挥舞摆振响应随风速和风攻角的变化规律以及不稳定风攻角的分布特征。结果表明：在某些风攻角下,风机叶片挥舞摆振失稳现象在风速较低的情况就有可能发生,其响应幅值与结构阻尼联系紧密。另外,挥舞摆振失稳会大大增加作用于叶片上的风荷载,并进一步造成叶片结构的损伤破坏。     

桅杆在自然风中生命链研究

本文系桅杆 在自然风中生命链研究的第三部分,主要研究桅杆在非零均值随机激励作用下的动力可靠性 。文中依据由Io微分方程得到的FPK方程、采用结构总响应统计量分析方法,直接导出在平均风和脉动风共同作用下桅杆顶层总位移的峰值概率密度函数,为直接处理类似非零均值激励总响应的峰值概率密度函数及动力可靠性分析提供一种可行途径。     

Stochastic response of guyed tower under second-order wave force

Guyed towers have low natural frequencies compared with generally encountered wave frequencies. They are therefore highly susceptible to low frequency second-order wave forces resulting from the nonlinear phenomenon in the integrated fluid pressure on the submerged structure. A simplified approach is presented here to obtain the second-order wave forces encountered in random sea state for offshore guyed towers using a simulation procedure. Nonlinear response of a guyed tower to second-order and first-order wave forces, and a combination of the two are obtained in time domain. The time histories of responses and the wave forces are analysed to investigate their stochastic characteristics.     

覆冰输电线非线性瞬时固有频率研究

为深入揭示覆冰输电线舞动所引起的非线性瞬时固有频率的变化规律,建立了四分裂覆冰输电线面内振动的非线性动力学偏微分方程,利用Galerkin方法将偏微分方程转换为常微分方程。用平均法分析了平衡点张力及舞动幅值对非线性瞬时固有频率的影响。发现舞动引起平衡点张力的变化改变了输电线的弹性系数,导致系统线性固有频率的改变;舞动幅值对高阶非线性瞬时固有频率有很大的影响;两者的作用导致固有频率的飘移,且飘移量与风速和档距相关。在防舞器动力学设计中应考虑舞动工况对固有频率的影响。     

Non-linear dynamic analysis of a wind turbine blade

ABSTRACT

Wind turbine blades’ dynamic behavior must be well investigated during the design process in order to avoid resonance. Modal analysis and nonlinear dynamic analysis of a rotating wind turbine blade are presented in this paper to study the effects of rotation speed on the natural frequencies and displacements. Accordingly, an enhanced finite element formulation based on uncoupled translational and rotational displacements’ kinetic energy was developed. A twisted wind turbine blade was discretized using beam elements with different cross sections; each has six degrees of freedom per node. At rest, the model results were validated using ABAQUS software. Furthermore, the effects of geometrically non-linear phenomena produced by blade displacement on the vibration characteristics of the rotating blade have been discussed. The blade non-linear problem was solved by applying the Newmark method combined with the Newton-Raphson schema. Results show that the blade natural frequencies and displacements increase under angular rotation speed augmentation. This work highlights the significant sensitivity of the blade vibration characteristics to the geometric non-linearity. Accordingly, a modal and a linear analysis are insufficient to precisely estimate the dynamic behavior of a rotating turbine blade.     

风与结构的耦合作用及风振响应分析

在目前的风振响应计算中,往往不考虑风与结构的耦合作用。但对于超高层建筑、高耸塔桅结构,由于基频较低,风与结构的耦合作用不可忽略。本文基于准定常假定推论出风与结构的耦合作用实质上就是气动阻尼效应,因此只要在阻尼常数中引入气动阻尼,就可建立考虑风与结构耦合作用的风振响应模态分析方法。文中采用拟单自由度法,确定了风与结构耦合作用所产生的气动阻尼。并对一工程实例进行了风振响应计算,比较了采用Davenport谱和Kaimal谱对计算结果的差异性,与风洞试验结果相对比表明,采用Kaimal谱并考虑风与结构的耦合作用所得计算结果能与风洞试验结果吻合较好。     

斜风作用下大跨度斜拉桥双悬臂状态抖振性能

通过气弹模型风洞试验对斜风作用下湛江海湾大桥施工阶段最长双悬臂状态的抖振性能进行了研究,结果显示:对于大跨度斜拉桥梁抖振响应法向风不一定是最不利的情况;抖振响应随风偏角呈非单调变化,最大值可能在0°~15°风偏角范围内发生;抖振响应随风速的增加近似地按两次曲线增加,并且基本固有模态对抖振响应的贡献占到了主要成份;最长双悬臂状态塔顶纵向抖振响应显著地大于裸塔塔顶纵向抖振响应,而两者随风偏角的变化形态也互不相同.试验和分析结果的比较表明,只要解决好诸如气动导纳等气动参数的取值问题,可以对大跨度桥梁抖振响应作出合理的理论预测.     

受初应力作用的轴向运动功能梯度梁的动力学分析

基于Euler梁模型研究了初始应力作用下轴向运动功能梯度材料梁的横向振动问题。假设材料性质沿梁的厚度方向按幂指数形式连续变化,利用Hamilton原理建立了系统的控制方程,应用复模态法求得了其固有频率和模态函数,接着分析了轴向运动速度、梯度指数、初应力大小等因素对梁的动力响应的影响。结果表明：梯度指数和轴向速度的增大都会导致固有频率降低,轴向初应力的增大则使得固有频率升高。     

大跨度公轨两用悬索桥风-车-桥耦合振动及抗风行车准则研究

将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统,基于风-车-桥系统空间耦合分析模型,以一大跨度公轨两用悬索桥为例,采用自主研发的桥梁结构分析软件BANSYS(Bridge Analysis System)分析了风荷载作用下桥梁和车辆的动力响应,讨论了风速、车速及轨道交通布置方式等因素的影响;同时,基于合理的列车运行安全性和舒适性评价指标,对列车通过该桥时的走行安全性与舒适性进行了分析,得出了该悬索桥的抗风行车准则:当风速小于20m/s时,车速可达设计车速80km/h;当风速介于20m/s和25m/s之间时,车速不能大于60km/h;当风速大于25m/s时,应封闭轨道交通。     

索膜结构的抖振动力特性研究

研究了索膜结构在脉动风作用下的动力特性.采用Wilson-θ(逐步积分法和Newton-Raphson迭代法推导了索膜结构在抖振力作用下的非线性动力增量平衡方程,求得结构的时程响应曲线.通过实例分析,探讨了结构参数变化对自振频率的影响;研究抖振力作用下索膜结构响应的频谱特性,从而得出索膜结构的抖振响应特性.     

台风非平稳性对钢格构浮式基础海上风机动力响应影响研究

该文提出了一种用于海上风机的新型钢格构式浮式基础,研究了台风作用下新型钢格构式浮式基础的动力载荷和动力响应。根据美国可再生能源实验室的5 MW风电机组参数初步设计了一种新型的钢格构式浮式基础;采用Holland台风模型和超强台风“山竹”(1822)的实测数据,基于叶素动量理论、势流理论和Morison方程分析了台风-浪荷载联合作用下的浮式基础动力响应特性。结果表明:该文提出的钢格构式浮式基础的动力载荷和运动响应会受到台风作用的显著影响,强台风及台风过境工况下的响应显著大于稳态强风工况,并呈现出剧烈的非平稳性。浮式基础动力载荷和运动响应与环境风速变化的趋势一致,且当风向不断变化,将引起塔筒底部产生较大的扭矩,海上风机浮式基础产生较大的艏摇运动响应。证明了考虑台风作用对钢格构式浮式风机基础稳定性影响的必要性,为钢格构式浮式基础海上风机在台风作用下的安全评价提供了理论依据和分析方法。