考虑桩-土相互作用的超大型单桩式海上风机结构地震响应

为了解决桩-土相互作用对超大型单桩式海上风机结构地震响应影响的问题,基于IEA 15 MW的固定式单桩海上风机原型,使用Abaqus建立考虑桩-土相互作用与泥面固定2种风机结构模型,桩-土相互作用通过一组非线性弹簧模拟。考虑风-波浪与地震联合作用,分析桩-土相互作用对超大型固定式单桩海上风机结构动力响应的影响。结果表明:针对超大型海上风机,桩-土相互作用效应使风机支撑结构的特征频率降低3%~6%;考虑桩-土相互作用的大兆瓦风机动力响应远大于泥面固定风机模型的动力响应;海上风机尺寸越大,桩-土相互作用引起的海上风机结构动力响应偏差越显著。

随机风-浪联合传播数值模拟及分析

海洋风、浪往往同时传播,同步传播过程中风、浪之间具有显著的相互耦合作用。针对海洋脉动风和随机波浪同步传播的数值仿真需求,基于程序开发平台MATLAB和计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件平台Fluent,提出了一种随机风场和随机波浪联合传播数值模拟方法,基于该数值方法构建了随机风-浪联合传播数值水槽,并对该数值水槽单独随机风、单独随机波浪以及随机风-浪联合传播的数值模拟效果进行了试算和验证分析。结果显示该水槽数值模拟脉动风速与对应理论计算风速相吻合,水槽数值模拟随机波浪与对应理论计算随机波浪相吻合,水槽风-浪联合数值模拟显示了风、浪之间显著耦合作用效应。建立的随机风-浪联合数值水槽在随机风和随机波浪同步传播的数值仿真上具备可靠性及可应用性。研究内容为海上风、浪环境要素耦合效应研究及海洋工程结构风-浪联合作用相关研究提供了平台基础。

风浪联合作用下深水半潜平台耐波性能的数值模拟

通过数值模拟方法,研究风浪联合作用下深水半潜平台的耐波性能。该方法通过建立风速与波浪相干函数模型,利用该模型获得当前深水半潜平台不同工况下风速与海浪的关系,再计算风浪联合作用下深水半潜平台的海浪作用力和风作用力,以2个数值为基础,构建深水半潜平台耐波性能数值模拟模型,在不同情况下模拟风浪联合作用下深水半潜平台耐波性能。实验结果表明:该方法可在不同波浪周期时,模拟风浪联合作用下深水半潜平台的横荡和垂荡数值,在波浪周期较小时,垂荡与横荡数值也较小,深水半潜平台的耐波能力较强;风浪角越大,在波浪周期相同时深水半潜平台的垂向弯矩数值越大,其耐波能力则较小。

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。

风浪联合作用下OOstar平台低频运动响应分析

基于FAST建立OOstar平台的时域模型,研究风浪联合作用下平台的运动响应,采用统计学方法分析平台的不规则运动规律,利用傅里叶变换对平台运动进行频谱分析,重点关注波浪载荷差频分量及风载荷对平台低频慢漂运动的影响。结果表明:在不同海况下差频分量与风载荷均会使平台运动振幅增加,并使大振幅对应运动周期的离散性增强,而对小振幅对应运动周期的影响较小;差频分量对振幅及运动周期的影响随着海况的恶劣而增强,风载荷则相反。频谱分析表明,差频分量在不同海况下对平台自振频率处运动的激励影响均较大,风载荷则在四级海况下对平台自振频率处运动的激励影响较大,在八级海况下对平台自振频率处的激励影响较小。

深中通道管节港内系泊动力响应试验研究(Ⅱ:双管节试验)

以深中通道工程海底隧道为依托,对管节在港内系泊防台开展物理模型试验,量测系缆力以及管节运动响应参数,探究管节在系泊状态下的动力响应特征及规律。研究主要结论有:环抱式港区内泊位系泊条件是对波浪掩护条件最好的位置最优,靠近口门的泊位最差;不同载况下,空载时风场的作用最显著而有沉放驳和测量塔的重载+工况下,风的作用力也要明显大于仅管节的重载情况,与管节半载时接近(重载+沉放驳+测量塔>重载);E32非标准管节系于突堤码头(GC1泊位)时,在各载况条件下,半载时的缆力相对最大,其中尼龙缆的最大张力为773 kN,钢缆的最大张力为1024 kN,不同载况下缆力大小的排序为半载>重载+沉放驳+测量塔>重载。

长江口深水航道治理一期工程前后泥沙运动特性初步分析

利用长江口徐六泾、横沙和佘山三站三年逐日表层含沙量、盐度和气象观测资料 ,以及北槽河段沿线含沙量洪、枯季准同步观测资料 ,对长江口深水航道治理一期工程实施前后北槽河段含沙量沿程分布规律和垂向变化特征 ,以及滩槽泥沙交换的机理进行了分析。结果表明 :北槽河段高含沙区分布位置在一期工程后适量下移 ;风浪对浅滩泥沙的掀动作用和滩槽间泥沙交换是造成工程区河段含沙量增加的主要动力因素 ;滩槽泥沙交换及输移途径取决于滩槽间流场变化 ,南北导堤在二期工程继续下延后 ,将进一步削弱滩槽泥沙交换量 。

风浪流共同作用下海上风电基础与海床的动力响应分析

我国近海风资源丰富，但由于海洋环境条件的复杂性，开发利用近海风资源的规模和效益受到很大的制约；而风、波浪和海流等作为近海主要环境荷载对近海风机的正常运行起到决定性作用。采用谐波叠加法模拟得到近海风电场的风荷载时程，利用Morison方程和非线性波浪理论推导了波浪荷栽和波流荷栽的计算公式，最后根据Turkstra准则将风浪流荷载进行叠加组合，建立风浪流荷载共同作用下海上风电基础与海床动力相互作用的三维有限元计算模型。基于此模型，针对不同荷载组合条件下风机塔筒的水平位移、竖向应力以及基础的水平位移、桩身弯矩、桩身剪力等进行了动力分析，同时对风浪流荷载共同作用下桩基础周围海床的超孔隙水压力响应进行了计算分析，讨论了不同的荷载参数对海床超孔隙水压力的影响。结果表明：风荷栽对风机塔筒顶端水平位移、塔底应力影响较大，波流荷载对风机基础顶端水平位移、桩身弯矩、桩身剪力影响较大，而波浪荷栽则对海床孔隙水压力影响较大。可取最大风荷载和最大波流荷载叠加波浪荷载时程的组合为最不利组合方式。

大型海上风力发电高塔系统一体化分析建模研究

大型海上风力发电高塔系统的精细化建模与整体可靠性设计对保障风能资源开发的安全性与经济性日益重要.本文结合柔体动力学与有限元建模,考虑气动耦合效应、桩土相互作用、塔体前后运动控制和非线性转矩控制,建立了大型海上风力发电高塔系统一体化分析模型(Sto DRAOWT模型).与国际上通用的风机分析软件分析结果对比表明,本文建立的Sto DRAOWT模型分析结果可信,建模更为全面合理,计算效率更高.在此基础上,实现了风浪联合作用下海上风力发电高塔整体系统的动力响应分析,为大型海上风力发电高塔系统的随机响应分析与可靠性设计奠定了基础.

发电机故障时海上风电机组动态特性分析

以海上风电机组为研究对象,建立了风电机组模型,以湍流风和随机波浪作为输入条件,考虑重力载荷、空气动力载荷、惯性力载荷和波浪力载荷的影响,基于FAST软件仿真发电机故障时风电机组的运行过程,并研究了发电机故障时变桨速率对风电机组载荷的影响规律.结果表明:故障对风电机组叶片危害严重,发生故障时受惯性力增大的影响叶根处轴向力发生突变,叶根处受力最大;采用主动控制变桨-顺桨对叶片进行卸载,变桨速率对叶尖位移有重要影响.

连续刚构桥风-浪作用效应分项系数确定方法

立足于海上多跨连续刚构桥,研究其在海上风-浪联合作用及不利的车辆布载影响下的可靠性能和设计表达式.从随机理论的角度出发,将作用于跨海连续刚构桥的汽车、风、浪作用简化为泊松过程,在采用Ferry Borges-Castanheta(简称FBC)法组合时进一步假设其为FBC过程.其中涉及的风、浪、车均为极端情况,风-浪作用组合时考虑两者的相关性,汽车作用的极端性体现在它的布置而非其荷载的大小上.为了确定极端风-浪作用影响下的跨海连续刚构桥设计表达式,采用思路步骤相对简单、主要依赖于计算机数据处理的Monte-Carlo方法进行模拟计算,根据结构可靠度指标与目标可靠度指标之差平方和为最小的原则,得出最佳设计分项系数.

考虑风浪相关性的列车桥梁耦合振动分析

为研究风浪联合作用下跨海铁路桥梁列车桥梁运营的安全性和舒适性,根据实测数据,采用Copula分布模拟风速和浪高之间的相关性,得出了不同联合回归期下的风浪组合值.以某双塔斜拉桥为研究对象,计算车桥系统在风浪联合作用、仅横风作用及仅波浪作用下列车过桥时的动力响应.结果表明:桥梁和车辆的动力响应随风速和波高的增加而增大,桥梁各项指标均满足安全限值,其中横向位移变化明显,竖向位移与加速度则变化不大;当重现期为15 a时,风浪联合作用(WWVB)系统列车轮重减载率超出了安全限值;相比横风荷载,波浪荷载对车桥系统响应影响相对较小,但其对车辆横向加速度及轮重减载率的影响大于10%,因而建议考虑风浪联合作用.

风、浪、流复合作用下海上风力机基础波浪荷载分布特性研究

海上风力机是未来风电产业发展的技术制高点,而复杂海洋环境下风力机基础的波浪荷载精确计算尤为重要。为揭示风、浪、流复合流场对风力机基础结构的作用机理,以东海兴化湾6 MW大型海上风力机基础为背景,采用Fluent仿真平台构建数值波浪水池。首先改进传统风-浪复合造波法自由液面处风与水质点速度方向的一致性,其次对复合场中波浪的时空演变规律进行描述;在此基础上,进一步研究各工况中基础柱整体波浪荷载的复合特性,引入并确定极值荷载的复合系数;最后分析风力机基础波浪荷载沿水深与周向分布特性。结果表明:本文提出的改进边界风-浪复合造波法具有良好的稳定性和有效性;风、流与浪之间的复合作用总体对波浪荷载呈现放大效应,其中风-浪-流三场复合的放大效应最大达135%;基础波浪荷载沿水深呈指数型递减,并在波峰出现“加速度对流”现象。

风浪夹角变化对海上浮式风机系泊的影响

海上风机结构的设计中通常只考虑共线风浪。然而浮式风机的动力特性与传统的固定式风机有显著不同,风浪荷载对其结构的影响仍需进行深入研究。为探究风浪夹角变化对浮式风机系泊的影响,采用FAST-Orcaflex软件建立了浮式风机的耦合模型并进行了时域分析,得到了多种代表海况及不同风机运转状态下系泊的张力和平台的运动响应,并对模拟结果进行了分析。结果表明:共线风浪会造成最大的系泊张力以及除艏摇外最大的平台运动响应;但在温和海况下,风机停机时,不共线风浪会造成更大的系泊疲劳损伤。因此建议:在评估温和海况下系泊的疲劳损伤时,至少考虑风机停机状态下风浪夹角为0°和90°的工况;在系泊的疲劳寿命评估中,应结合风浪作用方向散布图,考虑温和海况下的风浪不共线工况。

海上浮式风机的一体化建模及其整体可靠性

基于整体可靠性的结构设计方法是保障海上浮式风机结构安全性与经济性,使得浮式风机能够适用于大规模深远海风能开发的关键。本文首先简要评述了浮式风机结构建模与可靠性分析的主要方法。为了分析风-浪联合作用下浮式风机结构的整体可靠性,介绍了结合多体动力学理论与有限元方法的浮式风机结构一体化耦合动力学分析模型。同时基于我国南海某场址长期风-浪再分析数据,并采用Copula方法建立风-浪多参数非线性相关的联合概率分布模型,从而合理考虑风-浪联合作用。在此基础上,引入概率密度演化理论,实现浮式风机结构的整体可靠性高效分析。针对海上风机结构国际设计规范中定义的极端风剪不利工况,采用上述方法进行了额定风速和极端风剪条件下海上单柱式浮式风机结构的整体可靠度分析。

半潜式海洋平台风场模拟及风浪致结构动力效应分析

研究半潜式海洋平台风压风载模拟,分析风浪致结构动力效应。以我国先进的海洋石油981平台为工程背景,运用FLUENT软件进行脉动风作用下结构的非稳态分析,针对平台不同倾斜度,计算不同入射风向角下平台的整体风载荷,确定最不利工况条件。利用ANSYS软件建立半潜式海洋平台主体和锚泊系统的一体化有限元力学模型,数值模拟随机风荷载和随机波浪荷载,计算最不利工况时在风浪荷载联合作用下半潜式海洋平台结构系统的动力响应,分析其动力响应规律,为海洋平台的设计及安全运行提供依据。

大型LNG船舶系泊条件试验研究

以某开敞式LNG接收站码头工程为例,通过物理模型,采用国内先进的仪器设备和试验手段,包括国内第一台可吸收式L型造波机等,模拟了风、浪、流对系泊船舶的共同作用,分析探讨了大型LNG船舶系缆力和撞击力对风浪流三种环境荷载不同方向的响应。通过优化系缆墩的布置和系缆方式,达到了LNG船舶安全系泊要求,为工程设计和运营提供了依据。

SWAN和MOHID联合模型在连云港港30万吨级航道建设中的应用

根据连云港海域的特点,建立能考虑风浪影响的三维潮流、泥沙数学模型,对真实的"韦帕"台风作用下的潮流场和泥沙场进行模拟,力求更合理地反映近岸泥沙运动规律。数学模型计算得到的流场、含沙量场和航道回淤结果与现场实测资料进行验证,二者吻合较好。在此基础上,对连云港港30万吨级航道在"韦帕"台风作用下的回淤情况进行了预测,给出了航道的沿程淤强分布,为航道的设计提供依据。

风浪流作用下单船艏艉锚泊允许波高的试验研究

研究风浪、浪流和风浪流联合作用对275HP拖网渔船单船艏艉双锚锚泊时锚泊力和运动量的影响。试验结果表明,风浪作用下的锚泊力和横摇角度均大于纯浪作用的情况;流速小于1.0 m/s时浪流作用下的锚泊力大于纯浪作用的情况,而横摇角度则略小于纯浪作用的结果;风浪流联合作用下的艏艉拉力均大于风浪或浪流作用下的拉力值。由于渔船艏艉受风和受流面积的区别,导致艏拉力时流的影响较大,而艉拉力时则风的影响较大。由于流作用时渔船具有的初始横摇角度对其运动具有抑制,从而风浪流联合作用时的横摇角度要略低于风浪作用下的角度值。在本次试验范围内,当港内同时有10级左右风和小于1.0 m/s流速的流共同作用时,建议允许有效波高取0.6 m比较合适。

风、浪、流共同作用下的泥沙输移

根据波动水流能量及泥沙运动原理,参考了窦国仁推导底沙输沙量的方法,推导出波浪、潮流和风吹流共同作用下的底沙输沙量(包括推移质和部分悬移质输沙)计算式.应用于大风期黄骅港外航道的骤淤计算,其结果与实测值较接近.