风电机组塔筒结构有限元分析自动化方法探析

随着经济的快速发展和科技的进步,社会各行业也得到了飞速的发展,各种新型的技术逐渐被引入社会生产和建设中。塔筒对整个风电机组有极其重要的作用,只有确保塔筒的安全及正常运行,才能保证风电机组的正常工作。     

风电机组塔筒加工企业招标与制造过程生产许可要求解析

塔筒是风电机组安全稳定运行的核心设备之一,为保障风电机组设备制造质量以及后期运营安全,从国内市场塔筒制造企业生产许可要求现状,就保证塔筒加工企业满足相关要求进行了深度解析。塔筒加工企业生产许可是招标采购环节设定条件的关键点之一,在国家相关行政法规没有明确的情况下,通过分析制造过程执行技术标准并确定加工企业生产许可是设备监理工程师应当具备的重要技能。本文可为设备监理工程师工作提供参考借鉴。     

基于应变模态的风机塔筒根部疲劳裂纹损伤检测研究

风力发电机塔筒根部所受弯矩大易产生疲劳裂纹,及早地检测发现裂纹有利于防止风机倒塌破坏。研究一种基于应变模态的塔筒根部疲劳裂纹损伤识别方法。首先建立塔筒的振动微分方程和应变模态;然后构建风机模型并进行模态分析,研究塔筒损伤前后固有频率、位移和应变模态振型的差异;最后建立应变模态变化率的疲劳裂纹识别指标,并基于最小二乘法拟合应变模态变化率与损伤程度的数学关系。结果表明：塔筒受损前后固有频率和位移模态振型无显著改变,无法进行损伤定位;应变模态振型在受损处出现峰值突变,且损伤程度越高突变越明显;应变模态变化率与损伤程度呈正相关,采用六次多项式可拟合出两者的关系。     

环境激励下冷却塔结构模态测试与阻尼比特性研究

现行冷却塔结构阻尼比均借鉴荷载规范中钢筋混凝土的5%取值,考虑到冷却塔结构自身构型和材料属性,在理论上其真实阻尼比应小于规范值;阻尼比作为风与地震动力分析的重要输入参数,其取值大小将直接影响冷却塔抗风及抗震安全性,然而,现阶段国内外均缺乏大型冷却塔的现场实测和阻尼比取值研究。选取国内8座典型塔高和塔型的冷却塔进行现场测试,获取了环境激励下塔筒典型部位的加速度响应振动信号。首先采用随机减量法和自然激励技术对实测信号进行预处理,然后结合ARMA,ITD和STD三种模态识别方法获得冷却塔前10阶结构自振频率和阻尼比,并将实测值与有限元结果进行对比和误差分析,再借鉴振型组合的思路推荐了8座测试塔的等效综合阻尼比,最后给出了以基频为目标函数的前10阶模态阻尼比和等效综合阻尼比的估算公式。研究表明,8座冷却塔实测频率与有限元分析结果较为一致,基频最大相差为4.4%;阻尼比识别结果分布较为离散,前10阶模态阻尼比最大为2.86%;8座测试塔的综合等效阻尼比范围均在1.13%-2.16%,误差分析结果表明本文提出的阻尼比拟合公式精度高、稳定性好。     

非高斯脉动风压的模拟研究

对于风荷载数值模拟,大多数研究都是假定风荷载为平稳高斯随机过程。然而,在分离流作用的一些局部重要区域,例如建筑物屋盖边缘、屋面转角等,风荷载表现出强烈的非高斯特性。为了能够有效地模拟非高斯脉动风压,本文提出一种模拟非高斯脉动风压的框架。首先,根据风速与风压间的关系,严格推导出脉动风压功率谱密度函数。然后,基于导出的功率谱密度函数、Johnson转换系统和数字滤波理论,提出一种能够快速而有效的生成指定偏度、峰度和功率谱非高斯脉动风压的方法。最后,通过一个一维单变量非高斯脉动风压的模拟算例对该方法的可行性和正确性进行验证。数值结果表明：模拟生成的单样本非高斯脉动风压的统计参数例如偏度和峰度与目标偏度和峰度非常吻合,而且模拟功率谱与目标功率谱两者也吻合得很好。     

热环境对FGM壳模态频率的影响

为了推动功能梯度材料(FGM)在高超音速飞行器热防护结构设计中的应用,旨在探讨不同温度场对热防护壳模态频率的影响,提供热防护壳动力学设计参考。从陶瓷金属基FGM的热物性参数模型入手,结合圆柱薄壳能量原理,建立FGM圆柱壳的模态方程。在此基础上,首先分析热物性参数变化规律对FGM壳模态频率的影响,然后探讨考虑热应力后不同热环境下FGM壳模态频率的变化规律。结果表明,FGM物性参数变化对模态频率的影响没有热力耦合影响明显;温度梯度300 K时,物性参数变化对模态频率起主导作用,反之温度梯度300 K时,热应力和热变形对模态频率起主导作用。     

基于小波包与倒频谱分析的风电机组齿轮箱齿轮裂纹诊断方法

为实现风电机组齿轮箱及时有效地监测和维护,提出基于小波包与倒频谱分析的风电机组齿轮箱齿轮裂纹诊断方法。该方法针对齿轮裂纹振动信号为转速频率对啮合频率及其倍频调制的特点,利用小波包分解来识别振动信号中的故障特征,通过小波包频带能量监测得到故障部位的啮合频率范围;考虑到倒频谱可以分离和提取难以识别的密集调制信号的周期成分,基于倒频谱识别故障部位的转速频率,综合利用两种频谱分析方法得到的啮合频率和转速频率,能诊断故障部位和类型。实验研究表明,该方法能精确地诊断齿轮裂纹故障,并可以实现对风电机组齿轮在复杂环境中退化状态的监测,预防断齿等重大故障的发生。     

两相邻输电塔的同步环境脉动实测试验研究

基于随机振动及系统识别理论,对两相邻自立式直线输电塔进行同步环境脉动实测,识别两相邻输电塔耦合导地线的动力特性及绝缘子在输电塔的横向和纵向的振动频率。试验结果表明：在塔两侧导地线的初始张拉力一致的情况下,相邻直线输电塔的动力特性较为接近,与输电塔档距无关;同时分析得出输电塔的阻尼比均大于《高耸结构设计规范》（GB50135－2006）规定的阻尼比0.01。由于导线的影响,测试出绝缘子在塔-线体系横向振动频率大于输电塔的振动频率,而在纵向小于输电塔的振动频率,频率的差异对输电塔-线体系在风荷载作用下的振动情况不利。     

通讯塔钢结构动力特性的数值计算与现场测试

通讯塔钢结构工作过程中,由于承受环境风载、振动等动载荷而容易发生共振,进而影响塔架的整体稳定性.位于天然气处理站旁的通讯塔,由于受到周围环境风载、压缩机及电机振动的影响,塔架螺栓连接易出现脱落.通讯塔现场检测评估需要对其动态特性进行检测分析.首先利用ANSYS仿真软件对通讯塔动态特性进行分析,得出通讯塔架的固有频率,然后采用环境随机振动激励法对其进行动力特性检测,利用模态软件对检测的振动信号进行分析处理,并建立模型,获取结构自振频率、振型、模态阻尼比.通过比较发现,测试获取的塔架固有频率与有限元仿真结果相差较小,由现场压缩机的振动频率与电机振动频率测试,进而获得是否发生共振的评价结果,同时依据测试结果修正有限元模型进行不同载荷下的应力分析.     

基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析

为研究停机状态下不同叶片位置对大型风力机塔架-叶片体系风振响应的影响,以某3 MW大型水平轴三叶片风力机为研究对象。基于大涡模拟(LES)方法对叶片八个不同停机位置下的风力机体系流场和气动力性能进行了数值模拟,并通过与国内外实测数据对比验证了该方法的有效性;结合有限元法对考虑叶片不同停机位置的风力机塔架-叶片耦合模型进行了动力特性和风振响应时域分析。主要结论为:不同叶片停机位置对风力机塔架绕流特性和气动力分布影响显著,塔架中上部风振响应受叶片不同停机位置的影响最大,尤其是迎风面和背风面的脉动位移均方差响应较大,相应最大值出现在工况八下塔顶350°位置;最大塔底弯矩出现在工况二的环向330°位置;工况五下三叶片叶尖顺风向位移响应峰值2.5 m;研究表明在进行大型风力机抗风设计时应考虑不同叶片停机位置的影响。     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。     

风浪联合作用下海上风力涡轮机的碰撞阻尼减振控制

提出利用碰撞调谐质量阻尼器(Pounding Tuned Mass Damper,PTMD)控制近海单桩风力涡轮机塔身在风浪联合作用下的结构振动.为此,利用拉格朗日方程推导风浪联合作用下风机与PTMD 的耦合动力方程并据此分析了相关控制效果.具体而言,结构模型方面,以美国国家可再生能源实验室(NREL)的5 MW基准单...     

模态分析在多联涡旋压缩机组振动分析中的应用

本文介绍了常见的并联机组管路振动的原因及其排查方式。针对某型号机组排气管路剧烈振动的问题,对机组结构和排气管路进行实验模态分析,确定机组结构和排气管路发生共振,通过结构优化改变其固有频率,使管路振动值降低。     

风力发电高塔系统阵风荷载因子法

给出了风力发电高塔系统阵风荷载因子法。与传统的阵风荷载因子法不同的是,因桨叶/塔体相互作用的存在,风力发电高塔系统阵风荷载因子包含两项共振分量。一般地,风力发电高塔系统包含桨叶和塔体两个子结构,每个子结构都可视为单自由度体系,二者耦合在一块构成两自由度体系。因桨叶和塔体自振频率可能相近,系统响应的共振分量包含了桨叶/塔体耦合系统前两阶振型的贡献。为获得风力发电高塔系统阵风荷载因子的准确值,给出了塔顶位移和基底弯矩阵风荷载因子数值解以及塔顶位移阵风荷载因子精确解。同时,针对桨叶不同转速给出了一系列考虑桨叶/塔体耦合的两自由度体系阵风荷载因子,并与不考虑桨叶/塔体耦合的单自由度体系阵风荷载因子比较,两者有一定的区别。     

基于EEMD分解的输电塔阻尼特性识别

针对输电塔阻尼特性识别问题,采用EMD和EEMD方法分解输电塔气弹模型试验的加速度时程以得到IMF模态,运用EEMD方法、改进的随机减量法和Hilbert变换法识别输电塔在各风速风向下的频率和阻尼,并探讨阻尼在顺线方向和横线方向随风速变化的分布特点。研究发现,基于EEMD方法比基于EMD方法分解的IMF时程振荡模态更清晰,基于EMD方法的结果存在着一定程度的模态混叠;输电塔顺线向频率随着风速的增大而呈减小趋势,顺线向阻尼随着风速的增大呈单调增加趋势,而横线向阻尼随风速变化的规律性不明显。     

Dominant vibration modes for broadband frequency analysis of multiscale structures with numerous local vibration modes

In this paper, an extension of modal analysis in linear computational structural dynamics is presented to deal with complex structures characterized by the presence of numerous local vibration modes and for which the high modal density leads to high-dimension reduced-order models. These local modes consist of isolated vibrations that are dissociated from the global vibrations of the structure skeleton and that turn out to often be of negligible contribution to the global dynamics. Therefore, an automatic mode sorting procedure is proposed to extract the dominant modes that represent the global dynamics of the skeleton. Next, an alternative filtering methodology based on a modified eigenvalue problem is presented, which allows to build, a priori, a small-dimension reduced-order basis of dominant global modes. The two methods are compared to classic modal analysis using three applications, namely, a heterogeneous plate, a simplified nuclear fuel assembly, and a detailed boiling water reactor fuel assembly.     

海上风力发电机组支撑结构动力特性分析

采用欧拉-伯努利梁模型来模拟海上风力发电机组的支撑结构,利用通用有限元软件ANSYS对机组支撑结构进行计算建模。在此基础上,分析了风力发电机组上端结构质量（风轮、机舱等）、整个机组重力以及海水对支撑结构固有频率的影响,并给出瞬态冲击下支撑结构的动力响应历程。计算结果表明,在计算海上风力发电机组支撑结构固有频率时应考虑上端结构质量的影响,可以不考虑重力的影响,而海水对高阶固有频率影响很大;在瞬态冲击下,上端结构质量使得支撑结构响应变得平缓。     

风荷载的几种模拟方法

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明：叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。