海上风力机在风波联合作用下的动力响应分析

为分析海上风力机运行时的复杂工作环境,需研究海上风力机整机系统在气动载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。应用线性波理论模拟非规则的波浪及计算水质点在不同深度位置的速度、加速度;应用MORISON波浪力方程建立作用于塔架支撑基础的波浪力计算模型,分析作用在圆筒形支撑基础上的波浪载荷。基于计算多体系统动力学建模方法,通过有限的自由度来反映海上风力机柔性构件的非线性弹性变形。结合气动载荷模型、波浪载荷模型和高效的数值求解方法,建立了海上风力机系统的动力学模型,实现对其动力响应数值分析。以一台5 MW海上风力机为例进行动力响应分析,仿真试验表明气动载荷和波浪载荷对海上风力机的结构设计和稳定性有着重要的影响。该研究为海上风力机系统的振动分析、疲劳分析等提供了一种有效分析方法。     

风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析

研究了海上风力机圆筒型塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法;建立了基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的混泥土塔架安全寿命估计方法.应用线性波理论仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒型塔架上的波浪载荷.通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,建立了波浪力的分析计算模型;用有限元数值分析方法,求解了塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等;用雨流计数法统计循环参量,将工作循环应力水平等寿命转换成对称循环下疲劳载荷谱,分析了变幅载荷谱下塔架的疲劳损伤及疲劳寿命.算例表明:该文的工作为海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

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。     

风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

多海况下海上风力机组基础载荷特性分析

在相同的风况下设计了5组不同的波浪、海流,作为海上风力机的外界环境扰动。依据IEC标准,设计海上风力机等效疲劳载荷计算工况,并以某3.0 MW海上风力机组为对象进行极限载荷及等效疲劳载荷计算,在5组不同风浪联合作用下,通过对载荷对比、频谱分析及基础载荷的模态分析表明,波浪及海流对基础共振有一定影响。该研究为海上风力发电机组基础设计提供了可靠依据。     

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。     

海上风力机多场平台构建及地震动力学研究

为研究大型海上风力机在地震、湍流风、波浪及海流等复杂环境载荷作用下的动力学响应,建立了考虑多环境载荷和土-构耦合效应的精细支撑结构有限元模型,并基于模态法验证了有限元模型的精度和考虑土-构耦合效应的必要性,同时研究了大型风力机的结构响应。结果表明：结构的动力特性受土-构耦合效应影响显著;在地震载荷作用下,结构多个自由度响应激增;由于湍流风、波浪及海流载荷作用,导致支撑结构受外载荷形成阻尼效应影响更为显著;在研究地震动力学响应时,湍流风载荷、浪流载荷不可忽略。     

海冰作用下近海桩柱式风力机动力学响应研究

高纬度低温海域海平面存在大量运动状态的海冰,位于此处的近海桩柱式风力机容易受到不规则的海冰载荷作用,风力机平台、塔架和叶片等结构部件的动力学响应均受其影响.为定性及定量分析海冰载荷对叶片和塔架的结构动力学响应的影响程度,以NREL5 MW近海4桩柱式风力机为研究对象,耦合风载荷、波浪载荷及海冰载荷,通过Kane方法建立风力机动力学模型,其中海冰载荷通过冰力函数定义.对比分析了在IEC Lock in冰力函数、Mttnen海冰模型和无海冰作用三种工况下叶片和塔架的结构动力学响应,结果表明:海冰载荷使塔顶位移增加,在Mttnen海冰模型作用下塔顶位移增加了24.1%,在IEC Lock in模型作用下则增加了16%;两种海冰模型均不同程度地使叶片挥舞振动的频率增大,其中在Mttnen海冰模型中变化更加剧烈,这极大地增加了叶片的疲劳载荷.     

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。     

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。     

地震对不同容量风力机塔架动力响应规律研究

为研究湍流风与地震联合作用下风力机塔架动力响应规律,以AOC 50 kW、WindPACT 1.5 MW和NREL 5 MW 3种不同容量风力机为研究对象,考虑土-构耦合模型效应,基于开源软件FAST预留数据接口,编译地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震激励实时耦合的动力仿真模型。基于ASCE标准地震反应谱,得到20种不同强度的地震加速度,计算了不同强度地震与湍流风联合作用下的风力机塔架动力学响应。结果表明:地面加速度峰值(Peak Ground Acceleration,PGA)为0.3g时,湍流风与地震联合作用对塔基剪切力和弯矩影响较大;随地震强度的增大,塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性;发现国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)和美国风能协会/美国土木工程师协会(American Wind Energy Association/The American Society of Civil Engineers,AWEA/ASCE)对地震载荷与风载荷共同作用下的载荷预估模型结果误差较大,并提出了新的高精度模型,可为风力机塔架载荷预估及预防地震风险提供一定的参考。     

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。     

风浪入射角对漂浮式风力机动态响应影响研究

采用开源软件FAST并结合多体动力学方法,以驳船式(ITI Energy Barge)平台5 MW海上漂浮式风力机为研究对象,研究海上漂浮式风力机塔架与平台结构在风浪不同入射角下6个自由度大小与幅值变化,并分析风力机塔架与塔基在风浪入射角度不一致工况下的动态响应;将模拟所得数据在Matlab语言编辑的Mlife程序中运行,进而得到风力机等效疲劳载荷(DEL)。结果表明:平台6个自由度中,纵荡和纵摇随来流风速的变化最为显著;海上风力机的DEL不仅与风浪载荷大小有关,与其方向也有着密切关联;来流风、浪载荷之间的夹角较小时,风力机塔架和塔基的DEL相应较大。研究结果对海上Barge平台结构的设计与安装具有一定的参考价值。     

伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震响应影响

为研究伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震动力特性的影响,以DTU 10 MW风力机为原型,建立考虑伺服系统的单桩式近海风力机模型,通过p-y曲线法构建分布式弹簧土-构耦合模型,并基于中国实测地震数据和风力机实际运行环境构建湍流风-波浪-地震伺服系统多物理场计算平台,研究其在不同状态下的动力特性。结果表明：无地震载荷作用时,当平均风速大于额定风速,风力机变桨伺服系统有效缓解了塔顶振动,并减弱了气动载荷对塔基弯矩的影响;地震载荷使风力机塔顶位移明显增加,平均增加71.66%,变桨伺服系统对塔顶位移的作用效果被削弱,使发电机转速发生更剧烈波动;地震及波浪载荷对塔基弯矩的影响很大,风浪震作用较仅湍流风载荷作用下风力机塔基弯矩最大值平均增加131.24%,不能忽略波浪载荷对塔基弯矩的影响。     

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。     

半潜式平台浮式风力机的动态响应

平台的稳定是保障海上漂浮式风力机能够安全运行的基础。为了保障海上平台的稳定及漂浮式风力机的安全运行,基于Semi-submersible平台的NREL(国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机模型,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,调用水动力学软件AQWA(水动力学分析软件),考虑风、浪、流载荷的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到了F-K力(波浪力)和绕射力对平台6个自由度运动的影响以及各波浪力随波浪频率的变化趋势。结果表明:平台在低频波浪时容易出现较大响应;随着海洋环境恶劣程度的增加,平台的动态响应增大;垂荡方向的时域和频域响应程度均小于纵荡方向。     

5MW风力机地震工况塔架动力学响应研究

基于FAST开源软件和Wolf土-构耦合(SSI)模型建立了风力机地震工况动力学仿真模型,并计算了5种不同平均风速的气动载荷与101种不同强度的地震载荷联合作用下风力机的动力学响应.结果表明:在额定风速下,气动载荷与地震载荷之间为非线性耦合,评估风力机地震动力学响应时,必须充分考虑风-震耦合效应;风速相同时,塔基最大弯矩先保持不变,再以线性增长的趋势变化;在低强度地震时,塔架不同高度处的最大弯矩与塔架高度之间为线性关系;随着地震强度的逐渐增大,塔架最大弯矩与塔架高度之间的关系逐渐变为非线性,且额定风速下塔架最大弯矩最大.     

风力机筒形塔架结构静动态特性的有限元分析

讨论了水平轴风力机筒形塔架机构的静动态分析建模和有限单元类型的选取及计算方法，并以２００ｋＷ风力机的六棱锥筒形塔架为例，计算并给出了静动态特性。     

近海风力机组塔架塔基载荷研究

综合考虑风、海浪、海流对近海风力机的作用和影响,建立了机组塔架塔基的负载模型.通过空气动力学、流体力学和结构力学相关理论对模型中风对风轮和海浪海流对塔架塔基的作用力的计算方法进行详细分析.结合我国海上风场情况,以1.5MW变桨距近海风力机为例进行极限负载计算,最终结果与用风力机设计软件BIAEDED仿真的数据相似,从而表明了所研究得到的负载模型和计算方法是科学可行的.     

水平轴风力机结构动力响应分析

考虑水平轴风力机叶片和塔架的结构柔性,基于模态分析方法,建立了风力机叶片和塔架的耦合动力学模型来模拟整个系统的动态行为.应用线性加速方法,实现了结构动力响应的数值解法.利用分析模型对一台1.25MW风力机在稳态风作用下的结构动力响应进行了计算,计算结果显示所建立的模型能正确反映外部激励对结构变形及载荷的影响.此外,从计算结果可看出大型风力机的柔性结构在工作过程中变形很大;在进行载荷计算时考虑前二阶模态可得到较合理的计算结果.