基于仿生设计的风力机塔架力学性能分析

为提高塔架力学性能,提出一种仿生结构塔架并研究静态和动态结构特性。建立了1.5 MW风力机塔架有限元模型,通过仿棕榈植物的结构,将传统塔架模型设计成带类维管束腹板的锥筒塔架和带类维管束腹板多段式仿生塔架,并将计算结果与传统塔架进行了对比分析。结果表明:类维管束腹板使仿生塔架具有更强的抗弯性能,可有效降低塔架的塔尖位移,较之传统塔架减小了68%;传统塔架的应力集中在塔架根部,而仿生塔架能高效地分散载荷,最大应力下降19%,起到减载作用;仿生塔架的一阶固有频率较传统塔架下降0.246 Hz,能够避开塔架的共振频率范围。     

基于ABAQUS地震激励下风力机结构损伤分析

高耸的风力机塔架结构属于典型的顶部附有大集中质量的细长柔性体的力学结构,相比传统建筑结构差异性较大,极易受到地震载荷影响。基于有限元分析软件ABAQUS建立风力机塔架、基础平台和土体模型,通过FAST导出风轮非定常推力,作用在塔顶机舱,土体底部施加地震加速度时间序列,进行风力机结构模态分析、稳定性分析和动力学响应分析。研究表明:塔架主要的运动形式为摇摆运动和弯曲振动;塔架一阶固有频率为0.290 Hz,大于风轮的额定旋转频率0.202 Hz,因此叶片旋转不会引起风力机塔架发生共振;风载荷作用下,塔架发生横向屈曲,屈曲位置位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,屈曲因子较大;地震载荷作用下,塔架发生纵向屈曲,屈曲位置同样位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,较风载荷发生屈曲区域相对更大,屈曲因子相对较小。     

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。     

基于仿生设计的风力机叶片腹板力学性能分析

借鉴仿生学理论,对比树叶叶脉与风力机叶片腹板,以DTU 10 MW风力机叶片腹板为研究对象,建立了一种非规则仿树叶脉络分布的腹板模型,并采用有限元方法对仿生腹板与原始腹板进行静力学、模态及谐响应分析等力学性能比较。结果表明:仿生腹板较原始腹板更具柔性,吸收更多结构变形能,同时可节省二分之一材料;随着模态阶数升高,两种腹板固有频率差距越来越小;仿生腹板尖端位移、速度及加速度均小于原始腹板,仿生腹板在结构响应方面有较大优势,具有更好的抗共振性能。     

基于均匀设计的风力机塔架结构参数优化研究

针对大型水平轴风力机塔架结构优化过程中主要影响要素不显著问题,以塔架塔顶与机舱底座连接处为研究对象,采用均匀设计法对连接处2要素(厚度、高度)进行U*9(92)静强度试验设计并进行数值仿真模拟。研究结果表明:塔架最大变形值与最大应力值与连接处2要素(厚度、高度)呈线性与双曲抛物面函数关系,其中高度变化较厚度变化对塔架的应力值变化影响更大,优化塔顶结构参数后比原塔架最大应力值减小0.89%,最大位移值减少0.22%,质量降低0.24%,该研究为风力机塔架多目标结构优化设计提供理论依据。     

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。     

大型近海风力机塔架地震动力学响应分析

地震激励严重威胁风力机正常稳定运行,以丹麦科技大学(DTU)与Vestas公司联合研发的DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑海床土壤柔性,基于有限元及p-y曲线法,研究风力机塔架在3种实测地震激励作用下的瞬态动力学响应。结果表明:强震级、长时间的地震激励对塔架造成严重破坏;地震发生时塔顶位移最大、应变能集中于塔基;塔顶振动方向、形变位置、剪切应力及应变能集中区域因地震加速度的方向大小而改变。     

考虑塔架和叶片动力耦合的随机风载下风机结构动响应分析

考虑叶片和塔架的动力耦合作用,建立了5 MW风机整体结构的有限元模型,计算其在随机风速下的动响应。为分析叶片和塔架的动力耦合对风机结构动响应的影响,计算比较了刚性支撑的叶片、简化的风机和整体风机3种模型在风载下的动响应位移和应力。计算结果表明:由于叶片和塔架的耦合作用,叶片的位移响应最大增加约20%,但是塔架的位移响应最大降低了约60%。文章还分析了叶片旋转过程中方位角对塔架位移响应的影响。在叶片的一个旋转周期内,塔架的响应幅值会有较大的波动,最大响应幅值约为最小响应幅值的3倍。     

大型风电机组塔架-叶片耦合振动对风力机柔性多体系统稳定性的影响

针对大型风电机组塔架-叶片耦合振动引起的风力机柔性多体系统稳定性问题,利用刚体有限元法对塔架-叶片耦合结构进行建模,并考虑塔架的结构参数对系统稳定性产生的影响,计算系统及各部件的自然频率,对风电机组塔架-叶片耦合结构进行振动分析。采用谐波合成法产生的气动载荷,对塔架-叶片耦合结构进行风振响应分析,从而得出塔架-叶片耦合振动及结构参数对于风力机柔性多体系统的影响。结果表明,塔架截面惯性矩与系统的自然频率呈非线性关系,1阶弯曲频率曲线最大值对应的塔架截面惯性矩为21 m~4,频率为1.25 Hz;振动最大位移量为0.85 m,发生在一阶屈服频率;塔架高径比最大值为26,自然频率最大值为5 Hz。该结果说明塔架结构参数变化及塔架-叶片耦合振动位移对风力机柔性多体系统稳定性产生一定的影响,从而为大型风电机组正常运行提供一定参考价值。     

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。     

水平轴风力机塔架的频率和振型特性实验研究

为了研究风力机塔架的振动特性,文章利用动态信号采集分析系统,对水平轴风力机塔架进行了实验模态分析和运行模态分析测试,得到了塔架静止与振动两种工况下的固有频率与模态振型,分析了塔架的振动特性。通过对风力机振动信号的频谱分析发现,风速小于10 m/s时,只能激励起塔架挥舞方向与摆振方向的二阶模态;通过对风力机塔架的模态分析发现,风力机发生振动,塔架固有频率与模态振型发生小幅度改变;随着风速和振动烈度的增大,塔架模态参数的变化幅度随之增大。该研究可以为风力机塔架优化设计提供借鉴。     

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。     

考虑SSI效应的风力机塔架地震动力响应时频特性分析

为分析风-震共同作用下风力机塔架的动力响应,基于Wolf方法建立了土-构耦合模型,通过开源软件Fast预留数据接口开发了地震载荷模块,研究了在不同土质下塔架的振动特性和响应幅值。结果表明:地震载荷极大地加剧了塔架振动,尤其是塔架一阶固有频率和二阶固有频率的振动幅值明显增大;设防烈度为8度时,塔顶振动的主要激励为地震载荷,气动载荷对塔顶振动的影响很小,可忽略不计;由于阻尼和地震反应谱特征周期不同,在不同土质下塔架的响应幅值和振动特性差异较大;与无地震相比,在额定风况下硬黏土、岩土和软土3种不同场地土质发生地震时,塔顶侧向位移分别增大了316%、242%和265%。     

强阵风条件下风电机组钢-混凝土塔架瞬态响应分析

以陆地某5 MW大型风力机钢-混凝土组合塔架为研究对象,参考GL2010风力发电机塔架设计规范,对塔架的瞬态响应进行分析。考虑塔顶机舱风轮质量及钢-混组合结构的影响,建立了塔架有限元分析模型;采用Block Lanczos法对塔架进行了模态分析,得到了塔架前六阶固有频率和振型;通过模态叠加法求解,得到了恒定风速下塔架结构的稳态动响应与主要频率成分;分析了在瞬时强阵风作用下,塔架结构承载的变化规律与瞬态位移动响应时域历程;研究发现,在强阵风的作用下塔架横向振动会产生大幅波动,最大增加188.09%,在塔架结构设计时应给予一定的重视。     

大型风电机组柔性塔架结构改进研究

针对大型风电机组柔性塔架分段处的动态响应问题,文章利用双向流固耦合法对塔架分段处法兰进行流体与结构动力学分析,得出动力响应曲线。将考虑耦合作用与未考虑耦合作用的塔架法兰的应力、位移进行对比,经过基本应用理论分析,提出塔架结构改进措施。对比结果表明:考虑耦合作用的塔架法兰位移、应力变化幅度均比未考虑耦合作用的小;结构改进后的塔架应力、位移变化幅度相对较小。     

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。     

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。     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

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。