考虑连接段厚度影响的风力机组合塔架优化设计*

钢-混组合塔架是低风速地区风力机支撑结构的主要型式之一,连接段对结构的性能有重要影响,组合塔架结构设计直接影响风力机的安全与建设成本。为改善塔架的结构性能以及降低塔架造价,构建了以各塔段外径、壁厚、连接段厚度和混凝土段高度等关键几何尺寸为设计变量,以塔架的固有频率、应力、位移和稳定性等关键性态指标为约束条件,以塔架成本为目标函数的优化设计数学模型。利用模型对某3 MW风力机组合塔架进行优化设计。结果表明：优化方案的塔架总成本减少了15.7%,塔架的整体结构性能得到一定改善;混凝土段高度为塔架总高度的62%时总成本最低;考虑连接段厚度的优化模型能有效调整连接段的受力性能,有利于提高塔架整体优化的效果。考虑组合塔架连接段厚度的优化设计可为同类塔架的设计提供参考。     

风电预应力混凝土-钢混合塔架设计优化研究

风电预应力混凝土-钢混合塔架建设成本是结构选型的重要影响因素,该文基于改进粒子群算法与有限元方法提出一种优化方法,以2.5 MW风力机塔架为对象,取造价为目标函数,考虑上下塔段强度、刚度、稳定性、疲劳、塔顶位移以及结构自振频率等约束条件,实现了塔架截面及塔段高度优化。结果表明:风电混合塔架最不利荷载组合应取切出风速工况下水平气动力为第一可变荷载的荷载组合情况;钢塔段厚度对造价影响最大,其次为混凝土段高度与厚度;塔架的混凝土段高度约占塔架总高的75%时造价最低。     

基于仿生学的风力机塔架结构设计及其力学性能分析

风力机塔架力学结构属典型的柔性细长弹性体,考虑到沿海一带棕榈树与近海风力机结构(同为细长柱体)所处环境的相似性,以传统筒型和仿生风力机塔架为研究对象,通过棕榈树样本参数拟合出树干外形函数,并考虑棕榈树内部维管束结构及其材料特性,分别建立了刚性、柔性和布置类维管束结构的仿生塔架3种塔架模型,进一步采用有限元方法对3种塔架进行静力学分析、模态分析与谐响应分析,并对比3种塔架的力学性能,分析仿生结构对塔架力学性能的影响。结果表明:风载荷作用下,原始塔架的最大应力主要集中在塔架底部,仿生塔架则集中在塔架底部以上;与柔性塔架相比,仿生塔架顶端位移增加了282.0%,而最大应力仅增加了18.0%,在满足塔架应力允许范围内,仿生塔架柔性更好;仿生塔架达到共振时塔顶位移响应幅值降低了22.2%,且共振频率点均偏大;与刚性塔架相比,柔性与仿生塔架的固有频率均较低,而仿生塔架的固有频率略高于柔性塔架。     

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。     

风浪异向下大型风力机动力学响应及非线性特征研究

为探究风、浪不同入射角对风力机塔架动力学响应及其混沌特性影响,以DTU 10 MW近海单桩式风力机为研究对象,采用相图法及最大Lyapunov指数对风、浪异向下风力机塔架振动信号展开混沌特征分析。结果表明：塔顶前后向位移几乎不随波浪入射角改变而变化,塔顶侧向位移受波浪入射角影响较大;塔架弯矩随塔架高度增加而逐渐减小,且受波浪入射角影响较大;随着风速增大,塔顶侧向加速度波动剧烈程度逐渐降低,不同海况塔架前后向加速度波动差异较小;随着波浪入射角变化,各海况加速度最大Lyapunov指数均大于零,混沌特征明显。尤以湍流风速11.4 m/s、有义波高3.5 m时,在风波夹角为60°与210°时塔顶前后向及侧向加速度的最大Lyapunov指数最大,此时风力机塔顶稳定性较差。     

基于土-结构耦合作用的风力机塔架地震动力学响应分析

风力机塔架在地震激励下的动力学响应研究对保证风力机安全运行具有重要意义。基于有限元软件ANSYS和Wolf土-构耦合理论对Vestas1.65 MW风力机建立较高精度有限元模型,对是否考虑土-结构耦合(Soil-Structure Interaction,SSI)效应两种条件下进行瞬态动力学分析。选用摩根希尔(Morgan Hill)地震运动,土体选用软土物性参数。结果表明:考虑SSI效应会降低风力机塔架自振频率,塔架在地震激励下的塔顶位移响应、塔顶加速度响应、塔架Mises等效应力响应和塔架剪应力响应频率有较明显下降,塔顶加速度峰值减小6.7%,塔基承受剪应力增加73.5 MPa,增幅98.9%。因此,研究风力机结构抗震设计应考虑SSI效应。     

基于粒子群优化算法的风力机塔架结构优化设计

为了降低风力机塔架成本以及提高塔架的结构性能,编制粒子群优化算法程序,在算法程序中嵌入有限元方法,选取塔架壁厚、塔底直径及塔顶直径为设计变量,以强度、刚度、振动性能及稳定性为约束条件,建立了以质量最轻为目标函数的塔架优化数学模型,对某1.5 MW风力机塔架结构进行了优化设计。结果表明,优化后塔架的结构性能得到了改善,塔架变形对壁厚变化较为敏感,塔架质量减少了16.3%,说明了计算模型的有效性,可为同类塔架的设计提供参考。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。     

地震强度对小型风力机动力学响应影响研究

为研究地震强度与小型风力机塔架动力学响应之间的关系,以AOC 50 kW风力机为研究对象,采用Wolf理论建立土-构耦合模型,基于FAST(多体动力学仿真软件)预留数据接口,开发地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震实时耦合的动力学仿真模型。通过比例缩放ASCE(美国土木工程师协会)标准地震反应谱,得到了20种不同强度的PSA(设计加速度),从而计算不同地震与湍流风联合作用下的风力机结构动力学响应。结果表明:PSA为0.6 g(g为9.806 65 m/s~2)时,塔基弯矩增大133.3%,但地震强度对塔顶弯矩影响较小。随着地震强度的增大,塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性,塔架不同高度处的最大剪切力与高度之间的关系维持线性。此外,在地震载荷与风载荷共同作用下,IEC(国际电工委员会)和AWEA/ASCE(美国风能协会/美国土木工程师协会)载荷预估模型结果偏大。本文提出了一种新的高精度预估模型,可为小型风力机地震载荷预估和预防地震风险提供一定的参考。     

风力机塔架模态分析方法与比较

针对风力机塔架特有的壁厚分段结构,基于挠曲线近似微分方程推导出塔架的振型函数,结合Rayleigh法,导出塔架一阶固有频率的近似解,拟合出2 MW塔架的一阶固有频率推算的经验公式。该方法综合考虑塔架分段的不同壁厚与直径、塔架法兰以及塔顶集中质量的影响,给出以塔架高度、壁厚和塔顶质量为参数的固有频率计算公式,可为风力机塔架结构设计提供理论依据。     

考虑风向动态变化下风力机塔架应力特性分析

以课题组自行研制的风力机为研究对象，通过动态旋转平台模拟风向动态变化，研究在风向动态变化情况下塔顶和塔底的应力变化情况，同时分析风向动态变化对塔架应力的影响。对比发现：随着风向变化角速度的增大，最大主应力值呈先增大后减小的趋势，风向变化角速度为0.5（°）/s时最大主应力值变化程度最小，风向变化角速度为1（°）/s时，塔架稳定性最不利。随着风向变化角度的增大，最大主应力值先增大后减小，且最小主应力值随风向变化角度的增大而减小，风向变化角度为60°时最大主应力值最小，风向变化角度在30°以内应力波动较明显。     

漂浮式风力机多频调谐质量阻尼器控制及其参数优化设计

以ITI Barge型漂浮式风力机为研究对象,在机舱和塔架中配置参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),组成多频调谐质量阻尼器(MTMD)系统。基于多岛遗传算法,对MTMD系统进行参数优化,并比较了无控制、无优化MTMD控制及优化MTMD控制下风力机的稳定性。结果表明:MTMD对塔顶纵向位移和平台横摇角有很好的抑制效果;风力机塔顶纵向位移和平台横摇角均随机舱TMD质量和塔架TMD质量的增大而减小,随TMD阻尼的增大而增大;优化MTMD控制后,风力机稳定性进一步提升,其塔顶纵向位移和平台横摇稳定性分别提升了80.4%和83.8%。     

大型风力机地震动力响应研究

为研究地震载荷与风载荷联合作用下的大型风力机结构动力学响应,本文研究分别以Wind PACT 1.5 MW和NREL 5 MW风力机为研究对象,采用EI Centro 6.9级地震为输入激励,通过改进版的开源软件FAST(风电载荷仿真软件)计算风力机在正常运行、紧急停机和一直停机3种运行方式下的塔顶振动和塔架结构荷载情况,结果表明:地震载荷极大加剧了塔顶振动,机舱加速度峰值增大2倍以上。紧急停机操作可减小塔尖位移,一定程度上可以保护风力机结构安全。地震载荷主要增大了塔架一阶固有频率及其二倍频的振动。6.9级地震与额定风载荷联合作用下,NREL 5MW风力机塔基弯矩设计需求为159 MN·m,略大于极限风载荷作用。说明地震常发地区,塔架结构强度设计必须考虑地震载荷作用。     

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。     

基于土基-结构耦合作用的风力机塔架地震时频特性分析

为研究不同土质时地震载荷对大型风力机结构动力学响应的影响,基于Wolf方法建立风力机基础平台与土体的耦合模型,通过FAST软件仿真Wind PACT 1.5 MW风力机在不同土质和不同地震强度时塔架的动力学响应。通过分析不同工况下风力机的结构动力学响应,发现地震载荷对塔顶位移和塔基弯矩的影响不可忽略,尤其是塔顶侧向位移和塔基俯仰力矩。在九级设防烈度地震作用下,相比无地震工况,软土、硬黏土和岩土地质风力机塔顶侧向位移分别增大925%、785%和771%。且由于软土阻尼最小,能量耗散小,所以地震后塔架响应降低的速率最慢。     

不同水深海上风力机塔架地震动力响应研究

开发了风力机地震仿真平台SAF(Seismic Analysis Framework),以DTU 10 MW海上风力机为研究对象,建立其地震激励下的动力仿真模型,分析4种水深(20～50 m)时20组不同强度地震、额定风速湍流风与波浪流联合作用下风力机塔架动力响应。研究表明:地震作用对横向塔顶位移及横向平面内的塔基弯矩影响较大,来流方向塔顶位移及来流平面内的塔基弯矩主要受湍流风影响;在存在地震激励时,塔架不同高度处位移、剪切力及弯矩响应均大于湍流风与波浪流作用时;地震强度较弱时,不同水深处风力机塔顶位移与弯矩差距较小,但塔基弯矩随着水深的增大而增大;地震强度较大时,水深对风力机塔顶位移与塔基弯矩影响很大,相同地震强度的响应深水大于浅水。     

海冰载荷作用下风力机抗冰锥体减载研究

提出了锥体抗冰结构来降低海冰对风力机结构的影响。以NREL 5 MW近海三叶片水平轴风力机为研究对象,基于Ralston算法建立冰载荷模型,采用开源多体动力学软件FAST计算塔架结构动力学响应,研究了不同锥角抗冰结构下塔顶位移和塔架载荷特性。结果表明:锥体结构能有效地缓解由海冰造成的危害,塔架剪切力、海冰载荷及塔顶位移随锥角的降低而减小,锥角由70°降至40°,海冰载荷降低55%~98%;安装锥体前后,塔架剪切力减小28.7%~58.9%,塔顶位移最多减小46%。     

海冰载荷作用下海上风力机TMD减振研究

为保证桩柱式海上风力机塔架结构稳定和系统运行安全,提出安装于机舱内的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),以减弱海冰与湍流风联合作用环境下的风力机振动。基于多体动力学开源仿真软件(FAST),通过计算并分析NREL 5 MW海上风力机风-冰联合作用下塔顶振动特性,发现TMD控制对前后向的塔顶位移及塔基剪切力影响较小,但可以有效降低侧向的塔顶位移及塔基剪切力,降低幅度分别达39%与52%。同时,塔架一阶固有频率处的响应降低64%与90%,说明TMD装置能有效减弱风力机振动,保护风力机安全。     

大型风力机地震动力学响应及稳定性控制研究

为保障极端复杂环境下风力机塔架的结构安全,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于开源软件FAST预留数据接口开发地震载荷计算模块,研究气动阻尼和地震对风力机结构响应的影响,并在机舱和基础平台安装调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对塔架的振动进行控制。结果表明:塔顶响应主要受地震载荷影响,气动载荷对其影响较小,且气动阻尼在一定程度上可以抑制塔架的动力响应,风-震耦合效应不可忽略;地震诱导塔架振动,安装TMD可有效减缓塔架振动和降低塔架弯矩,保证风力机的结构安全和运行稳定。TMD与结构质量比u=0.01,阻尼系数ξ=0.1时,减振控制效果最佳。     

主余震序列作用下近海风力机动力特性研究

为研究主余震序列作用下近海单桩式风力机动力响应特性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,构建地震-湍流风-波浪多物理场计算模型,并通过重复法及衰减法构造主余震序列,研究主余震序列对风力机动力特性的影响。结果表明：当地震正向冲击时,环境载荷主要影响塔顶前后向振动,地震载荷为塔顶侧向振动的决定载荷,可在一定程度上缓解环境载荷所造成的塔顶振动。主余震序列作用时相较仅主震或余震序列作用,风力机塔顶振动明显增强,塔架最大等效应力变大,应变能集聚现象更为明显。余震较强时,风力机余震阶段塔顶振动、最大等效应力及应变能集聚现象强于主震阶段。