水平轴风力机筒型塔架动态响应分析

为获得水平轴风力机塔架在时变载荷作用下的动态响应,将塔架简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,分析了塔架弯曲振动固有动力特性。在建立塔架结构动力学运动方程、计算塔架所受时变载荷的基础上,运用线性加速度法和模态叠加原理对风力机塔架的动态响应进行计算,编制了相应的计算机程序。以某1.0MW风力机塔架为例,获得了风力机在湍流风运行条件下塔架在仿真时间内的位移、速度和加速度,并与"GHBladed"软件的计算结果进行了比较,表明计算模型是可行的。     

波浪对海上大型风力机筒形塔架的影响

文章利用梁单元对海上风力机筒形塔架进行有限元建模,并建立了塔架动力学运动方程。阐述了海上风力机塔架所受Kaimal湍流风模型和Pierson-Moskowitz波浪谱模型,并对风载荷、波浪载荷和海流载荷进行了详细分析。基于某6.0 MW海上大型风力机塔架的动力响应计算,分析了极限和疲劳工况下波浪对塔架顶端振动位移和塔底载荷的影响程度,为海上风力机筒形塔架设计提供了参考。     

大型风力机多体动力学仿真下结构动态响应

为探究风力机湍流风况下结构动态响应,建立运行于以轮毂高度为参考点的全域风场中的风力机整机模型,以拉格朗日算法进行多体动力学仿真,分析叶片和塔架结构动态响应。风况模拟采用Kaimal风谱,包括不同风速以及稳态和湍流多种情况。结果表明:叶尖位移和叶根力矩挥舞方向大于摆振方向;叶尖位移集中于风轮转动频率附近;塔顶位移仅为塔架高度的0.15%~0.30%。     

考虑叶片旋转和离心力效应风力机塔架风振分析

为分析叶片旋转和离心力效应对风力机塔架风振反应的影响,建立考虑叶片离心力效应的风力机塔-轮整体有限元模型分析系统动力特性,采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论模拟考虑旋转效应的叶片和塔架脉动风速时程,结合笔者提出的风振精细化频域计算方法分析塔架与叶片在脉动风作用下的动力反应。研究表明:旋转效应会增大叶片的气动载荷和塔架的动力响应及风振系数,离心力效应增大了风力机系统频率并减小了塔架的风振反应及风振系数。     

地震及湍流风联合作用下的大型海上风力机结构动力学响应

为研究DTU 10MW近海桩柱式风力机塔架在地震激励下的动力学响应,基于p-y曲线法建立单桩基础与土壤的耦合模型,通过有限元软件ANSYS建立风力机塔架的有限元模型,分析不同速度湍流风和不同强度地震时塔架的瞬态动力学响应。结果表明:仅风载荷作用时,额定风速作用下塔架动力学响应明显高于切出风速;地震与风联合作用时,塔顶位移动态响应剧烈,但无明显规律;塔架加速度响应最大值位置约为四分之三塔高处,塔顶剪应力响应与地震持续时间有关。     

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。     

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。     

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。     

随机风载荷下大型风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学分析

由于风力机叶片所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,大型风力机在随机风载荷下的动力学行为分析一直是风电行业急需解决的难题之一。利用MATLAB/Simulink对随机风速进行了模拟,通过柔性多体动力学方法建立了符合实际的风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学方程。在随机风载荷下对目前国内1.5 MW主流风力机的叶片、塔架的动力学行为进行了实例分析,得到了10 min时序随机风载下的叶片挥舞位移、速度历程和塔架的位移、速度历程。分析结果表明,在随机风载下,风力机启动时叶片、塔架振动较为剧烈,随时间的增加叶片、塔架振动幅度逐渐减小,振动速度也呈减小趋势。该研究结果为我国风力机设计理论的完善和工程实践奠定了一定的基础。     

大型水平轴风力机塔架的风诱发振动响应

分析了大型水平轴风力机塔架在地面风作用下的受力情况，给出定态风和非定态风诱发的塔架振动响应的计算方法，对一实际塔架进行计算和仿真结果表明，该计算方法在工程应用中是合理的。     

极限环境载荷诱导风力机结构振动影响分析

风力机桩基、塔架及连接部件构成的支撑结构属顶部承担较大质量的力学结构,地震对其造成的影响远大于常规建筑.针对上述问题,基于NREL开发计算平台,联合TurbSim、AeroDyn、FAST及Seismic,对变风载荷、变地震载荷(波形、强度)下的风力机动力学响应进行研究.发现:地震横波对风力机结构响应造成剧烈影响,纵波...     

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

基于SMA阻尼器控制的鼓型塔风振响应分析

以某220kV输电线路的风致振动为例,研究了基于SMA阻尼器的鼓型塔振动控制方案和控制效果。先应用有限元软件ANSYS建立鼓型塔的有限元模型,采用线性自回归滤波器法模拟随机脉动风荷载的时程样本,再应用能量法计算所需阻尼器数量,根据SMA阻尼器的工作原理和鼓型塔的结构特点,设计了3种阻尼器布置方案进行结构风致振动瞬态响应仿真,提取各方案控制点位移、加速度时间历程进行比较分析。结果表明,安装SMA阻尼器后,对塔顶位移、加速度的最大减振率分别为37.8%、75.4%,方案3为最优布置方案,可见将SMA阻尼器应用于输电塔振动控制效果较好,合理设计阻尼器布置方案能使阻尼器发挥最大耗能功能,获得最好控制效果。     

Collapse analysis of wind turbine tower under the coupled effects of wind and near‐field earthquake

In this paper, the pattern of wind turbine tower collapse as a result of the coupled effects of wind and an intense, near‐field earthquake is investigated. The constitutive relation of the tower cylinder steel is simulated via a nonlinear kinematic hardening model, and the specific value of each parameter in the constitutive model is provided. A precise model of the tower structure coupled with the blade is created using a nonlinear, finite element method. This method is compared with the results from a static pushover test of a small cylindrical tower to validate the finite element modeling method in this research. Two earthquake wave sets are selected as inputs. One contains 20 near‐field velocity pulse‐like ground motion waves with various pulse periods; the other contains 20 ordinary far‐field ground motion waves. A wind turbine tower with a hub height of 60 m is selected as an example for analysis. The dynamic response of this tower as a result of the coupled effects of the two ground motion wave sets and a transient wind load is calculated using nonlinear time‐history analysis. The calculation results shows that the average horizontal displacement of the tower top as a result of the near‐field velocity pulse‐like ground motion is 33% larger than the case with far‐field ground motion. Finally, the seismic collapse vulnerability curve of this wind turbine tower is calculated. The seismic collapse capacity of the tower is evaluated, and the seismic collapse pattern of the tower is analyzed.     

Dynamic behavior of wind turbines influenced by aerodynamic damping and earthquake intensity

In the present paper the effects of aerodynamic damping and earthquake loads on the dynamic response of flexible‐based wind turbines are studied. A numerical analysis framework (NAF) is developed and applied. NAF is based on a user‐compiled module that is developed for the purposes of the present paper and is fully coupled with an open source tool. The accuracy of the developed NAF is validated through comparisons with predictions that are calculated with the use of different numerical analysis methods and tools. The results indicate that the presence of the aerodynamic loads due to the reduction of the maximum displacement of the tower attributed to the dissipation of earthquake excitation energy in fore‐aft direction. Emergency shutdown triggered by strong earthquakes results to a rapid change of aerodynamic damping, resulting to short‐term instability of the wind turbine. After shutdown of the wind turbine, enhanced dynamic response is observed. For the case where the wind turbine is parked, the maxima displacement and acceleration of tower‐top increase linearly with the peak ground acceleration. With the use of the least‐square method a dimensionless slope of tower‐top displacements is presented representing the seismic response coefficient of tower that can be used to estimate the tower‐top acceleration demand. Moreover, on the basis of the seismic response coefficient, an improved model for the evaluation of load design demand is proposed. This model can provide accurate predictions.     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

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。     

钢-混凝土组合式风力发电塔架地震响应分析

钢-混凝土组合式风力发电塔架上部为钢塔筒,下部为混凝土塔筒,高度方向具有较大的质量和刚度突变,其在地震作用下的响应和传统单管式钢塔架显著不同.利用ABAQUS对同一风电场的2.0 MW单管式钢塔架和组合式塔架建立精细化模型,选取3种场地条件,采用振型分解反应谱法计算2种塔架的地震响应并进行对比.针对3种场地条件,选取相...