考虑系缆拉伸-弯曲-扭转变形的浮式风力机动力响应研究

考虑系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形产生的非线性系泊力,研究海上浮式风力机系统的动力响应。考虑系缆非线性几何变形,建立系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形的动力学分析模型。建模过程中,采用了四元数方法进行局部坐标系与全局坐标系之间的旋转,避免了旋转过程中奇点的产生。综合考虑系缆非线性系泊力、水动力、空气动力及风力机结构系统,建立了系统动力学分析模型,开发了考虑系泊系统非线性系泊力的系统动力响应计算程序。针对OC3 Hywind Spar型5 MW浮式风力机,分析额定作业海况与极限海况下风力机系统的动力响应,并将结果与系泊系统采用准静态悬链线方法的模拟结果进行了对比。结果表明,考虑拉伸-弯曲-扭转变形效应后,系泊缆张力的波频响应被放大,同时还出现了多个高频峰值,将对系泊缆的疲劳寿命计算产生影响。     

浮式风机变桨故障后停机的动力特性研究

浮式风机变桨故障后紧急顺桨停机可能会引起风机传动系统、机舱设备、塔筒和浮式基础荷载和弯矩的巨大波动。采用空气动力-水动力-控制系统-结构动力全耦合非线性方法模拟了不同海况下的全潜式浮式风机变桨系统故障,分析了风机低速轴弯矩、机舱加速度、塔筒弯矩和浮式基础的运动响应变化。结果表明,在变桨故障后紧急顺桨停机工况下,风机系统内部所受荷载和弯矩与正常运行相比有明显增加,在优化控制方法后,即变桨故障后高速轴刹车并减速顺桨,风机系统内部增加的荷载和弯矩得到有效缓解。     

层合中厚浅球壳受撞击时的非线性动力响应分析

建立了正交铺设层合中厚浅球壳在任一位置受撞击载荷作用的非线性运动微分方程,根据Hertzian定律,考虑撞击物与浅球壳之间的弹性接触效应,确定了壳体在其接触处所承受的冲击力。对此非线性动力问题,采用有限差分法与时间增量法求解。算例中,讨论了撞击物的速度、壳体中曲面曲率半径及接触点位置对壳体所受冲击载荷及其位移响应的影响。     

低速冲击下含损伤层合中厚浅球壳的非线性动力响应分析

基于中厚壳几何非线性理论和损伤理论 , 采用应变描述的失效准则 , 导出了层合浅球壳含基体损伤和纤维2基体剪切损伤的损伤本构关系 , 建立了低速冲击下轴对称正交对称铺设层合中厚浅球壳的非线性运动控制方程。对未知函数在空间域采用正交配置法离散 , 时间域采用 Newmark2 β方法离散 , 对整个问题进行迭代求解。数值结果表明 , 损伤、 冲击物的初速度以及结构的几何参数都在不同程度上影响着低速冲击下结构所受的冲击载荷和结构的非线性动力响应。      

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。     

海上风电站遭遇船舶侧向撞击时的结构动力响应分析

海上风电站的抗撞特性是设计中必须考虑的要素之一。利用非线性有限元动态响应分析程序MSC.Dytran模拟了一艘5000吨船舶以不同速度侧向撞击海上风电站的动态过程,得到了风电站的结构损伤特性、碰撞力-撞深曲线、能量转化曲线及其它相关数据。根据数值仿真计算结果,分析了风电站的结构抗撞特性,并对撞击过程中风电站的结构变形特征以及撞击能量对风电站结构损伤的影响程度进行了探讨。     

Digital twin modeling for predictive maintenance of gearboxes in floating offshore wind turbine drivetrains

This paper presents a multi-degree of freedom torsional model of drivetrain system as the digital twin model for monitoring the remaining useful lifetime of the drivetrain components. An algorithm is proposed for the model identification, which receives the torsional response and estimated values of rotor and generator torques, and calculates the drivetrain dynamic properties, e.g. eigenvalues, and torsional model parameters. The applications of this model in prediction of gearbox remaining useful lifetime is discussed. The proposed method is computationally fast, and can be implemented by integrating with the current turbine control and monitoring system without a need for a new system and sensors installation. A test case, using 5 MW reference drivetrain, has been demonstrated.

     

铰接式基础风力机数值程序开发与响应研究EI北大核心CSCD

针对50 m作业水深提出了一种新型铰接式基础海上风力机结构,建立了铰接式基础风力机(AOWT)摇摆运动分析模型。采用空气动力-水动力耦合分析方法,利用MATLAB软件在时域内编写运动控制方程,对风、浪、流不同环境载荷作用下铰接式基础风力机的动力响应进行分析,在此基础上,进一步研究湍流风对风力机整体运动及载荷响应影响。计算结果表明,额定风速海况下,铰接式基础风力机运动及载荷性能良好,满足结构设计要求。相比于定常风情况,湍流风作用下,系统响应均值显著减小,但幅值变化加大,且在低频范围内诱发较大共振。     

基于神经网络的风力机动力学分析

由于单独使用一种分析方法不能考虑到风轮结构和气动载荷的耦合关系,分析出的结果准确性将受到影响。针对这一问题,本文将联合仿真技术引入风电机组结构动力学分析中。该分析方法考虑到了风电机组结构的气弹性问题,即将用Matlab计算的气动力和用ADAMS计算的结构变形相互耦合。仿真情况更接近于实际风电机组的工作情况,计算精度较好。将该联合仿真技术对某600千瓦风力发电机进行了结构动力学分析。分析表明,该方法能较好的模拟风力发电机组的结构动力学特性。但是由于仿真模型计算精度较高,考虑的自由度较多,计算耗时较长。针对仿真分析方法的这一局限性,本文在应用联合仿真技术计算出一系列样本工况后,采用人工神经网络方法对风电机组结构动力学性能进行分析预测。分析表明,采用仿真分析与人工神经网络相结合的方法对风力发电机组结构动力学进行分析和预测,可以减少动力学分析的时间,保证预测精度,弥补单独使用仿真分析方法的局限性。     

漂浮式风电场的基础形式和发展趋势

阐述了海上风电场的分类,并对漂浮式风电场风电机组的浮式基础作了详细的介绍。随着风电开发技术的成熟,风机容量大型化、垂直轴风机的应用及建立非并网风电多元化应用系统将是以后漂浮式风电场发展的趋势。     

地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。     

风力发电高塔系统风致随机动力响应分析

介绍了一种高精度且高效的随机动力系统分析方法-广义概率密度演化方法.基于广义概率密度演化方法,结合随机脉动风场物理模型和“桨叶-机舱-塔体-基础”一体化有限元模型,分别对1.25 MW风力发电高钢塔和钢筋混凝土风力发电高塔进行了风致随机动力响应分析,并将分析结果同确定性动力响应分析结果进行比较.研究表明,随机性对风力发电高塔系统结构风致动力响应分析的影响非常显著.     

Failure analysis of wind turbine blade under critical wind loads

Issues such as energy security, sustainable development, and environmental protection have been a major topic of international discussions in recent years. Developed countries worldwide are investing substantial sums to develop renewable energy systems. In addition to this trend, wind power generation has revealed potential as a major energy source in Taiwan. However, an accident occurred just as the government and private enterprises began heavily promoting the construction of wind power generators. On September 28, 2008, five large wind turbines (WTs) located in the Changhua Coastal Industrial Park in Taichung sustained blade damage from fierce winds and heavy rainfall brought by Typhoon Jangmi. To examine the causes of this damage, specifically, delamination and cracking in the WT blades, this study first reviewed and analyzed data in related engineering documents. Similar overseas cases were also reviewed to identify the common causes of turbine blade failure incidents. The structural mechanics of WT blades were then analyzed with behavioral models to identify the mechanisms of the damage. Hopefully, the analytical results of this study can help prevent similar engineering incidents in the future and provide a reference for stakeholders devising strategies for improving risk management and disaster prevention in wind power plants.