新型海上风电基础结构空间三维数值模拟研究

  [目的]  为迎对海上风电快速发展的趋势,亟需开发新型海上风电基础结构形式以满足大水深和深厚软基的设计需求。  [方法]  结合某海上风电工程基础设计为算例,以PLAXIS 3D大型有限元软件为平台,对一种新型大直径钢圆筒组合导管架风机基础结构进行空间三维弹塑性数值模型分析研究,采用合理可行的本构类型以及简化形式模拟风机基础的整体稳定性,考虑钢圆筒与土体之间的共同作用,分析风机基础的内力与位移;再用ANSYS软件建实体模型计算极限荷载工况下各构件的应力。  [结果]  研究结果表明:新型组合式风机基础内力和位移均可控,在理论上可适用于软基和深水区海上风电场建设。  [结论]  分析结果对今后新型海上风电基础结构的开发与研究具有一定的参考意义。     

反应堆压力容器防断裂一体化有限元分析

压力容器在放射性等复杂的载荷下工作，容易引起工程结构的疲劳裂纹扩展，进而导致灾难性的破坏。我们利用自主开发的一体化结构有限元分析软件ATLAS对防断裂问题进行分析。该软件根据结构有限元分析的应用特点，在特殊的数据结构基础上充分利用GPU的三维渲染能力，并做了大量的优化工作，能让CAE工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。我们首先分析微观孔洞大小及位置对应力分布的影响，然后以压力容器为例，针对其结构及受力状况建立模型及载荷约束，对其各部位受力及变形情况进行分析。在完成有限元求解后，我们对计算结果进行应力线性化，得到应力强度因子。我们依照ASME BPVC III D1附录G的标准进行防断裂分析校核，通过计算数值的比较得出是否满足防断裂要求的结论。基于ATLAS软件提出的压力容器防断裂一体化有限元分析方法可用于压力容器延寿等工程实践中。     

海上风机灌浆连接段应力评价方法探析

  [目的]  灌浆连接段被广泛应用于海上风机支撑结构与基础的连接,其力学性能对整个风机的可靠性至关重要。为了探寻对灌浆连接段合适的应力评价方法,文章进行了有限元模拟分析。  [方法]  通过建立数值模型来探究灌浆连接段在给定的压弯荷载下的应力分布情况,提出用名义平均应力和应力相关系数的概念来评价其总体应力水平,最后研究了各种参数对连接段力学性能的影响,并确定了在各参数变化条件下应力相关系数的范围。  [结果]  参数分析的结果显示剪力键的位置对灌浆连接段钢管的Mises应力和浆体的Tresca应力有较大的影响。并且钢管的厚度与最大应力具有负相关性。同时发现,灌浆层的最大Tresca应力仅对自身厚度的变化较为敏感,而对钢管厚度变化不敏感。最后,根据参数分析确定的应力相关系数在3到6之间。  [结论]  参数分析结果可以为灌浆连接段设计提供参考,而应力相关系数能够被应用于初步评估灌浆连接段在联合荷载作用下的力学性能。     

预制舱类工业建筑能耗模拟软件PCES的设计与开发

  [目的]  建筑能耗模拟软件是建筑节能设计与建筑能耗评估重要的支持工具,而现行的建筑能耗模拟软件难以满足预制舱类工业建筑能耗分析及机柜级微环境控制设计的需求。  [方法]  提出了预制舱类建筑热平衡模型,基于该物理模型开发出预制舱类建筑能耗计算软件PCES,通过工程案例证明了PCES能客观地反映建筑物的能耗分布规律。  [结果]  计算表明:PCES可以实现对预制舱建筑围护结构、舱内热状况以及机柜级热环境状况进行求解,适用于工程节能设计与能耗分析。  [结论]  研究成果可实现建筑参数设定、能耗模拟与建筑热过程及能耗分析。     

海上风机单桩基础疲劳影响因素分析

  [目的]  为提高评估海上风机单桩基础疲劳寿命准确性,重点探讨了影响海上风机单桩基础疲劳寿命计算的影响因子。  [方法]  首先利用简化梁单元模型与局部有限元模型模拟了某工程的单桩基础结构,其次结合波浪谱疲劳方法对单桩基础由波浪载荷造成的疲劳强度进行了评估,最后分别计算并讨论了传递函数、波浪理论和局部开孔的结构形式对风机基础疲劳损伤的影响。  [结果]  分析结果表明:传递函数和局部开孔的结构形式对钢管桩结构的疲劳强度影响显著。  [结论]  所提计算方法和分析结果是正确并有效的,可为实际应用提供指导。     

进气冷却对燃机联合循环的性能影响分析

  [目的]  为了提高联合循环电厂运行灵活性,保证较好的机组运行经济性,避免燃气轮机在低效运行区,对燃机的进气冷却系统进行分析研究。  [方法]  基于GT-Pro/GT-Master软件,通过对采用进气冷却系统前后的燃机联合循环机组进行热平衡模拟计算,对机组的性能变化以及影响因素进行研究、对机组效率进行敏感性分析。  [结果]  分析结果表明:进气冷却系统可以大幅提高燃机的出力和效率;采用进气冷却系统后联合循环机组的出力增加,但效率略有下降。  [结论]  因此,对于联合循环机组,若电网允许机组多发电,则可以考虑设置进气冷却系统;若机组全年总出力固定,且年利用小时数并不饱满,则不宜设置进气冷却系统。     

特高压阀厅红外智能监控系统设计及应用

  [目的]  目前换流站阀厅内设备维护常用人工巡检方式,为了解决该方式存在的劳动强度大、巡检不到位等问题,可在阀厅内装设红外智能监控系统。为了保证系统安装后能够对阀厅内设备全面监视,且不会对现有设备造成影响,文章在换流站现有的红外智能监测系统应用基础上,提出了红外热像仪的一种布置设计原则。  [方法]  通过对换流站阀厅内设备特点分析,确定红外测温系统探头型式,布置位置,并对初步布置的探头位置进行带电距离校核、遮挡校核和探测精度校核,确定最终方案。  [结果]  以东方换流站为例进行了应用设计和校核计算,根据校核结果调整探头位置和数量。所提原则能够实现换流站阀厅的全方位,无死角监视。  [结论]  算例结果对今后的类似工程具有较好的借鉴意义。     

海上风电钢管桩水平承载力计算方法研究

  [目的]  p-y曲线法在计算钢管桩水平位移时的桩身受力状态有明显优势。  [方法]  开发了一套新的p-y曲线自动提取程序,根据提取的剪力用三次样条曲线进行拟合,然后一次求导得到p。  [结果]  研究表明:该方法提高计算精度的同时,降低了使用者的经验要求,方便工程推广使用。  [结论]  针对桂山海上风电场项目的大直径单桩基础现场试桩结果进行三维有限元分析,验证了该提取方法在桩土相互作用分析中的可靠性。     

高原地区盐渍土硫酸盐强腐蚀性环境防腐设计

  [目的]  为了应对我国西藏某输变电工程中遇到的高原地区盐渍土硫酸盐强腐蚀性环境,对混凝土结构耐久性进行特殊方案设计,以提高混凝土的抗腐蚀性能。  [方法]  通过研究硫酸盐对混凝土的腐蚀机理,分析影响混凝土耐久性的因素,找到防止或减轻硫酸盐对混凝土侵蚀的技术措施。  [结果]  结合工程实际情况确定了混凝土配合比,并在混凝土中添加抗硫酸盐类侵蚀防腐剂,提高了变电站灌注桩、承台等地下混凝土结构抗腐蚀性能。  [结论]  研究成果给硫酸盐强腐蚀性环境下的混凝土耐久性设计提供了参考。     

海上风机支撑结构疲劳性能试验研究

  目的  针对海上风机支撑结构的疲劳问题,进行了外加强环过渡段结构疲劳性能的试验研究。  方法  采用简化的支撑结构1/5缩尺模型进行了静力与疲劳试验,获得了模型的热点应力和疲劳寿命;并根据DNV的海上风机规范,采用不同类型单元对试验模型进行了有限元分析和疲劳寿命估算,将规范方法的计算结果与试验进行了比较。  结果  结果表明:试验结果和规范方法之间的差异主要源于S-N曲线的选取。  结论  最后根据试验数据,在DNV规范的基础上给出两种改进的疲劳校核方案,可为实际应用提供指导。     

集成小型堆和可再生能源的超临界CO2循环发电系统

  [目的]  小型模块化压水堆(小型堆)核电站由于温度参数低,其发电效率不到30%,为了提高小型堆的核能利用效率,可将小型堆与可再生能源组合,并以先进的超临界CO₂循环作为热能转换为电能的装置。  [方法]  基于简单回热模式的超临界CO₂循环,并在此基础上增加一次间冷和一次再热,将小型堆与太阳能、生物质能热源集成为新型混合发电系统,对其发电效率进行了分析。  [结果]  结果表明:对于高压透平入口温度390 ℃的系统,发电效率34.13%,对于高压透平入口温度550 ℃的系统,发电效率41.22%。此外,对系统的安全性分析表明:CO₂本身是具备核安全属性的工质,并且超临界CO₂循环还可以作为反应堆的非能动余热排出系统,确保在严重事故工况下,反应堆持续排出衰变热。  [结论]  集成小型堆和可再生能源的超临界CO₂循环发电系统具备良好的发电效率和核安全性。     

导管架船撞损伤与剩余强度的结构有限元模拟与评估方法

  目的  海上风电基础结构船撞事故频发,准确评估结构损伤后结构剩余强度成为风电场运维安全的重要技术。  方法  针对广东海域实建导管架和船舶运行情况,采用有限元方法模拟船舶质量、初速度、碰撞角度等不同组合情况下导管架基础船撞过程。  结果  通过计算法,得到不同工况下碰撞力时程和关键节点塑性应变,获得了最大碰撞力与各撞击因素关联关系和典型节点损伤特征。  结论  根据分析结果,得到典型导管架局部结构船撞后剩余强度变化规律,为实际工程中快速评估相关结构的船撞损伤提供技术支撑。     

海上升压站的抗震性能分析

  [目的]  对处于地震活动区域内的海上升压站整体模型进行地震工况下强度和韧性分析,分析海上升压站在设计基准期不同超越概率的海床面运动强度水平下的性能。  [方法]  强度分析采用响应谱法评估结构的抗震性能,韧性分析采用静力弹塑性分析方法进行倒塌计算来评估结构的抗震性能。  [结果]  通过对海上升压站主体结构和附属构件的抗震性能进行分析,认为海上升压站在考虑足够安全储备的前提下能满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防要求。  [结论]  研究表明该海上升压站结构体系具有较好的抗震性能。     

八地脚螺栓柔性塔座板承载力研究

  [目的]  随着输电线路的荷载越来越大，为了满足受力要求，铁塔与基础的连接型式广泛采用八地脚螺栓柔性塔座板，现有规范体系对该型式塔座板的相关计算方法尚无规定，故需对承载力进行研究。  [方法]  通过理论分析、数值模拟和真型试验等方式对八地脚螺栓柔性塔座板的承载力进行了研究。  [结果]  研究表明:受拉状态下底板应力呈非均匀分布状态。  [结论]  提出了全新的计算方法，对工程设计具有一定的借鉴意义。     

海上风机灾害分析及健康监测技术综述

  [目的]  风能是近年来飞速发展的可再生新能源。在过去的20年中,风机总装机量在全球范围内有了大幅度地增长。由于暴露在恶劣的自然环境中,海上风机尤其容易受到多种灾害的共同干扰。针对常见灾害对风机结构的影响进行了系统性地总结分析。  [方法]  首先介绍了强台风和中度台风引起的风机叶片破坏和塔架整体倒塌的事故,对事故现象及分析方法做了初步探讨。除此之外,考虑中国作为地震多发带以及特殊的海上环境,对海上风机在波浪和地震荷载作用下的动力响应及灾害预测也进行了系统阐述。针对台风、地震和波浪的不同荷载模拟方法,包括考虑线性和非线性特征的不同数学模型,在相关研究领域被相继提出;相应的风机结构损伤分析也包括了动力学常见的时域分析和频谱分析。  [结果]  通过采取不同灾害指标,对于不同荷载及工况下的分析表明,极端风速是影响风机结构安全性的最关键因素。随着结构健康监测技术在土木基础设施中的成功运用,其重要性实用性日益受到关注。  [结论]  系统阐述了土木结构健康监测的原理,成功实例,以及相应的传感技术。并进而介绍了健康监测技术在风电领域的发展与应用。有些局部损伤探测已经被工业领域成功实施并取得了良好的效果。值得注意的是,过往的研究主要集中于对风机局部构件的健康检测方法。针对风机结构稳定性安全性的整体检测将会是未来研究工作的重点。     

光伏电站支架系统结构抗台风设计实践

  [目的]  广东沿海太阳辐照资源丰富,为了利用好光资源,开发建设光伏电站,就必须研究光伏电站的重要结构物——光伏组件支架系统的抗台风设计。支架系统的设计参数选择对于工程的安全性、经济性均影响非常大。  [方法]  将以广东沿海某光伏电站为例,从台风荷载参数取值,结构体型系数,构造措施等方面,结合有限元软件数值模拟及台风灾害后评估,介绍光伏电站支架系统结构抗台风设计的要点及实践经验。  [结果]  项目建成后,先后经历了“天鸽”（17级）、“山竹”（14级）台风正面吹袭考验,在经历台风后,整个光伏区阵列受损较小。  [结论]  项目建成后,遭遇几次超过12级以上的台风正面吹袭,并未造成严重损失,支架系统结构设计是比较成功的,设计理念和方法得到了印证,可为实际应用提供指导。     

输电线路带电跨越封网施工用绳索的选型算法

  [目的]  为解决承载索在输电线路带电跨越封网施工过程中因选型不合适而发生断线的问题,基于架空线机械性能力学计算方法,提出了一种承载索的选型算法,使施工安全且高效。  [方法]  首先,对绳索材料的抗拉强度、伸缩率和单位长度重量进行对比,确定了承载索的材料,即迪尼玛绳;然后以架空线空间力学平衡方程为基础,推导了承载索的力学计算模型;最后,通过力学计算模型提出了承载索的选型算法。  [结果]  以阿克苏库车750 kV变电站送出工程为实例,运用承载索选型算法选出的承载索满足施工要求。  [结论]  验证结果表明提出的承载索的选型算法可行,可为实际应用提供指导。     

开孔和补强对圆柱壳轴压屈曲的影响分析

  [目的]  早期的圆柱壳轴压屈曲试验结果与理论偏差较大,导致差异的因素较多,其中初始几何缺陷是产生差异的主要因素。  [方法]  文章采用一种专用的轴压屈曲试验平台,可以利用激光位移传感器扫描壳体三维实际形貌。屈曲试验轴压采用液压装置,轴压数据通过称重传感器读取。  [结果]  试验结果表明:开孔降低了圆柱壳轴压屈曲临界载荷,在开孔处插入圆管补强件,提高了圆柱壳轴压屈曲临界载荷。基于壳体形貌实测数据建立了有限元模型,利用Abaqus对圆柱壳、开孔圆柱壳和补强圆柱壳进行非线性屈曲有限元分析。  [结论]  模拟得到的规律与试验规律一致,壳体轴向载荷均是先呈线性增大后减小,开孔圆柱壳轴压屈曲临界载荷最小,含补强件圆柱壳轴压屈曲临界载荷次之,未开过孔的圆柱壳轴压屈曲临界载荷最大。对不同壳体的临界载荷模拟值与试验值进行了比较,其中最小的相对误差只有13.8%。说明运用此方法可以预测壳体轴压屈曲临界载荷,对壳体屈曲设计具有参考价值。