风浪作用下海上风电结构动力响应数值仿真

为了能够更好利用海洋资源,提高发电效率,提出了风浪作用下海上风电结构动力响应数值仿真方法。建立波动力平衡方程获取海波谱,计算出风场平均波高与周期。利用离散频谱逼近目标随机过程,用互功率频谱密度矩阵求拟脉动风场的风速时程曲线,将平均风速和谐波叠加风速相加,得到单位高度风荷载。按照拟层流风波产生机理,构建波浪谱模型,采用莫里森公式计算结构波浪荷载,考虑风浪间的相关性,将波浪参数代入风浪谱,得到风电结构响应数值。通过仿真得出在不考虑波面高度变动的情况下,波面力在波峰处被低估,在波谷处被高估,波面高度的变化会对风电结构动态响应产生一定影响,得出结果可以为保障电能效益提供参考。

海上风电结构在环境激励下的试验模态分析

通过对启东海域的海上风电结构现场测试,采集环境激励下结构的响应信号,利用自然激励法和特征系统实现算法,结合奇异熵定阶对海上风电结构进行模态参数识别,建立三维数值模型对结构进行模态分析。结果表明,海上风电结构的有限元分析和试验模态分析结果吻合较好,实现了模态参数的准确识别,为结构的健康监测和损伤诊断提供依据。

海上风电结构地基土动应力变化规律研究

以承受水平荷载为主的海上风力发电机在风、浪等荷载的共同作用下其结构—地基系统具有复杂的受荷特性,使得基础周围的地基土表现出复杂的应力变化特性。本文通过数值计算分析了海上风机上部结构所受水平荷载与波浪荷载的作用方向夹角以及荷载频率对地基土应力状态的影响,揭示了海上风机单桩结构地基土的典型应力时程变化及分布规律。结果表明海上风电结构地基土的应力幅值大小和主应力方向角都在发生变化,上部水平荷载与波浪荷载间的夹角以及二者的频率都对地基土的应力状态,特别是主应力方向角的旋转产生了很大影响。

环境激励下海上风电结构模态参数识别

针对海上风电结构,研究了环境激励下海上风电结构的模态参数识别问题。采用了一种时域联合算法:自然激励法(Natural Excitation Technique,简称NExT)和多参考点复指数法(Polyreference Complex Exponential,简称PRCE)的结合(简称NExT/PRCE方法)对海上风电结构的模态参数进行识别。对某三脚架式海上风电结构进行数值模拟,考虑了风电结构的实际操作工况,对结构施加了随机波浪荷载和风机载荷。利用动力响应数据进行了环境激励下风电整体结构模态参数识别,采用了稳定图与模态置信准则进行了虚假模态的剔除,并分析了NExT中参考通道选取对于模态参数识别效果的影响。通过与有限元模型模态参数比较,验证了NExT/PRCE方法对于风电结构参数识别的有效性。

风机开停过程中海上风电结构振动特性研究

基于现场振动试验,分析了海上风电结构在不同风况下风机开停过程中的振动规律。结果表明:针对试验样机,不同风级开机工况风电结构振幅均比正常运行时更大,范围在11.23%~58.45%;不同风级停机工况风电结构振幅波动剧烈,与正常运行比较变化范围在-25.73%~387.33%。采用STD方法识别出风电结构整体首阶频率为0.33Hz。同时开展了风机塔筒摆幅分析,结果证明该风电结构在开停机过程中能够满足结构安全要求。

基于改进布谷鸟算法的海上风电结构模型修正

由于布谷鸟算法控制参数少,因此参数的变化对算法收敛速度的影响小,逐渐被应用于工程结构的有限元模型修正中。随着结构空间复杂程度的增加,当待修正参数逐渐增多时,布谷鸟算法收敛速度较慢,收敛精度较低。为了使布谷鸟算法可以适用于求解复杂工程结构的修正参数,该文提出自适应策略改进布谷鸟算法,提高了算法的局部寻优能力,避免算法陷入局部最优。运用海上风电结构数值模型进行研究,结果表明,修正后单桩式海上风机结构模型的固有频率误差最大值为-2.244%,验证了改进模型修正方法在大型复杂海洋工程结构中的有效性。

基于多源数据融合的海上风电结构长期在线监测与分析研究

在七十五届联合国大会上,习近平总书记提出“双碳”目标。在“双碳”目标背景下,风电作为清洁可再生能源,符合生态文明建设理念。相对陆上风电而言,海上风电具有风机利用率高、单机装机容量大、不占地不扰民、距离用电负荷近等优点,是重要的海洋新兴产业。2021年10月国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案的通知》要求,坚持陆海并重,推动风电协调快速发展,完善海上风电产业链,鼓励建设海上风电基地。

软弱地基中海上风电大直径缩径单桩基础结构设计研究

基于真实设计参数和环境荷载,通过PLAXIS Monopile Designer和SACS软件实现某风场机位的缩径单桩优化设计,并进行结构极限强度、结构变形、自振频率和疲劳分析计算。相比于相同上部尺寸的常规单桩基础,缩径单桩具有较大的泥面转角和水平位移,较低的竖向位移和自振频率,计算结果验证了缩径单桩基础方案的可行性,并可实现节省10.9%的用钢量。

波浪荷载对海上风电筒型基础结构振动响应的影响

以混凝土弧线段为过渡段的宽浅式筒型基础所受的波浪荷载较大,易对整个海上风电结构体系的振动响应产生影响。针对某海上风电筒型基础结构,文章基于现场实测数据构建了整机有限元模型,通过数值模拟方法分析波浪荷载对海上风电筒型基础结构塔筒顶部振动响应的影响。结果表明:在风机运行过程中,由风荷载所引起的塔筒顶部的振动响应较波浪荷载所引起的响应要大;在浪高较小工况下,相较风荷载,波浪荷载的影响可以忽略;波浪荷载对风机塔筒顶部振动响应的影响随着外界风速及浪高的增大而增大,其对塔筒顶部振动位移响应的影响比振动加速度大。

浅谈远程自动监控技术在海上风电基础结构安全监测中的应用

在海上风电快速发展的背景下,海上风电结构基础安全监测已成为一个关键问题。远程自动监控技术是利用多种传感器及监测设备实时采集海上风电结构运行状态,结构变化情况等数据,并对这些数据进行分析处理,提供了及时,精确的监测结果及预警信息,对确保海上风电结构安全可靠运行提供了强有力的支撑。文章将结合远程自动监控技术原理及优点,对该技术在海上风电基础结构安全监控方面的应用进行探究,并对相关方面的研究与实践起到一定的借鉴与参考作用。

基于CNN-GRU并联网络的海上风电支撑结构损伤识别

利用振动响应和深度学习进行结构损伤识别时,会遇到需要较多测点数据、损伤识别准确率不高以及网络容易发生过拟合等问题。为此,提出了一种基于卷积神经网络-门控循环单元(convolutional neural networks-gated recurrent unit,CNN-GRU)神经网络并联网络的结构损伤识别新方法。首先,对响应信号进行广义S变换(generalized S-transform,GST)得到其时频图像。然后,分别利用CNN和GRU从时频图像和响应信号中提取时频域特征和时序特征,并将时频域特征和时序特征拼接后输入全连接层和Softmax分类器中进行结构损伤识别。位移激励下的海上风电支撑结构模型试验数据验证结果表明,该方法仅需要一个测点的响应信号,与其他同类方法相比具有更高的识别准确率和效率。

三脚架式海上风电基础结构基频敏感性研究

针对三脚架式海上风电结构,根据其力学特性,构建由风力机、塔架和基础结构3个组成部分相应参数表示的简化结构模型,并通过量纲分析方法给出简化结构无量纲基频的表达式。在此基础上,通过数值模拟,研究无量纲频率对于三脚架基础结构相对质量和刚度的敏感性。并进一步研究三脚架式基础结构具体构件对于整体结构基频的影响。结果显示结构基频对于三脚架基础结构的中间立柱部分最为敏感。

基于电涡流-调谐质量阻尼器的海上风电筒型基础结构减振研究

针对海上风电结构在极端风荷载作用下会发生不利于工程安全的大幅振动问题,从理论推导与工程应用两个方面研究了基于新型电涡流-调谐质量阻尼器(Eddy Current-Tuned Mass Damper,EC-TMD)在海上风电筒型基础结构应用的可行性。首先,基于电涡流阻尼器(ECD)减振机理,将新型水平和摆式EC-TMD中的电涡流阻尼采用数值模拟中常规阻尼器等效替代;随后,利用Warburton公式对EC-TMD结构阻尼比和频率比进行优化;最后,将EC-TMD应用于江苏响水海上风电复合筒型基础结构实际工程模拟中。结果表明:极端风荷载工况下,EC-TMD可有效降低塔筒顶部振动位移幅度达21%~33%,说明其对海上风电筒型基础结构减振具有工程应用价值。

三浮体式海上风电基础结构响应研究

采用SESAM软件包对一种三浮桶式海上风电基础结构进行了运动响应计算。采用GeniE模块建立了该三浮桶海上风电基础结构的结构模型和水动力模型,并在HydroD模块中进行了组合载荷以及运动响应的计算,对其水动力特性进行了分析。在其中的波浪载荷计算过程中,采用基于三维水动力理论的设计波方法。

基于CP结合DE-GWO-SVR的海上风电基础结构损伤识别

结构仅输出的振动信号往往是各种源信号通过复杂规律形成的混合信号,对结构损伤特征提取与数据挖掘造成了很大困难。对此,提出了一种基于盲源分离(BSS)理论的复杂度追踪(CP)算法结合差分进化(DE)改进灰狼(GWO)算法优化的支持向量机(SVR)用于解决复杂结构的模态与损伤识别;CP算法基于信号预测性函数通过使分离信号的时间预测性度量最大化找到其线性混合矩阵,使分离分量具有最小复杂度并据此估计源信号。利用CP算法对结构响应信号进性分离得到信号分布向量(SDV)与分离源信号,通过定义差值曲率分布向量可以对结构损伤位置进行准确定位;对于损伤程度的识别,提出了一种DE改进的GWO对SVR进行优化的算法,即在GWO算法迭代过程中利用差分进化思想引入动态缩放因子以及交叉概率因子提高搜索和收敛速度,扩大种群所搜范围;利用不同工况下CP算法提取的差值曲率分布向量对结构损伤程度进行识别。通过对海上风电基础结构数值模型的分析,结果表明:CP算法对于高阶模态参数识别较fastICA表现出较强的适应性与优越性;同时,DE-GWO能够提高收敛速度,通过SVR算法对损伤的识别结果相比于BP神经网络更加准确。

热带气旋对海上风电支撑结构的影响研究

海上风电机组工作环境复杂、恶劣。热带气旋影响海域,极端环境条件作用往往导致结构的失效破坏。工程设计中往往遵循规范建议的传统方法,简单选取极端海况组合作为校核条件。本研究拟采用数值模拟、概率分析、灰色预测结合的方法,建立嵌套模型对热带气旋诱发的极端海况对风电机组支撑结构的作用进行分析。结果表明该方法合理,并可应用于热带气旋作用下海洋结构整体可靠度计算。

海上风电单桩基础服役状态现场监测

为了解风电结构在复杂环境中的真实服役状态,对2个风电单桩基础机位先后开展结构振动监测和水下地形扫测,通过分析现场实测数据,分析包含振动特性和冲刷情况在内的风机支撑结构服役状态,并结合设计数据对实测结果进行讨论。现场测试分析结果可为海上风电结构的服役状态监测和设计优化研究提供参考。

海上风电厚壁筒型基础刃脚优化试验及下沉阻力研究

通过在筒裙端部加装刃脚进行减阻,并通过试验寻找最优的刃脚体型,同时利用任意拉格朗日欧拉方法(ALE)进行筒型基础下沉全过程数值模拟。结果表明:在厚壁筒型基础端部加装刃脚可有效减小端阻力,在砂土中下沉时,最优的刃脚体型为60°夹角,通过试验对比,证明理论公式计算端部压力的可行性;ALE数值方法可模拟试验模型下沉过程,误差在20%以内。最后,利用ALE数值模拟,分析刃脚端面和斜面应力分布,并且研究土质参数对刃脚结构下沉阻力的影响。

海上风电钢结构涂层防护体系的工程实践和修复产品的研究

概述了用于海上风电钢结构涂层防护体系工程实践的常见技术,并分别描述了它们各自的优缺点以及适用环境。重点介绍了2种海上风电钢结构涂层防护体系的修复产品,一种是水下固化涂层,另一种是光固化涂层。然后介绍了水下固化涂层和光固化涂层的设计过程和应用。

渤海海域导管架式风电结构冰激振动分析

本文对渤海某海域一导管架式风电结构进行了冰激振动分析。文中首先对该导管架式风电结构的特点进行了分析,明确了在分析中需准确把握结构的非线性特征。根据该海域冬季冰情条件,设置了合理的海冰分析工况。由概化冰力函数确定了各分析工况下的动冰力时程,进而对风电结构进行了全时域瞬态动力分析。在动力分析结果中,重点关注风机叶片在旋转平面外的运动响应。根据对风机控制机理的分析,用叶片面外速度的非对称性反映海冰条件对风机运行效率的影响。该分析方法和所得结论可为寒冷海域风电结构的设计与评估提供参考。