近场地震作用下风力发电塔结构振动台试验研究

为研究近场脉冲型地震和竖向地震分量对风力发电塔结构地震响应的影响,以2MW风力发电塔结构为原型,按缩尺比为1/20进行模拟地震振动台试验。选用脉冲型地震Westmorland记录和Chi-Chi记录以及普通地震Taft记录和El-Centro记录作为输入地震动。对比分析结构的动力特性,脉冲效应对结构地震响应的影响,竖向地震分量对结构的地震响应的影响。试验结果表明:在试验过程中风力发电塔结构一直处于弹性工作状态;脉冲型近场地震动对结构的加速度响应、位移响应和应变响应具有显著的影响;竖向地震动分量对塔顶水平加速度响应和水平位移响应的影响较小,但对结构的竖向加速度和竖向位移有显著的影响。因此为提高风力发电塔结构的抗震能力,在结构设计中应更加考虑近场地震的脉冲效应和竖向地震效应的影响。

考虑土-结相互作用的风力发电塔模型结构振动台试验研究

土-结相互作用(SSI)对结构动力响应会产生显著影响。鉴于此,文章开展考虑SSI的缩尺“风力发电塔-基础-土体”系统整体振动台试验研究,分析风力发电塔模型结构的动力特性,在记录地震动作用下的加速度响应和位移响应,以及SSI对模型结构动力特性的影响。研究表明:SSI对结构的动力特性,特别是结构的自振频率,有显著影响;风力发电塔结构塔筒中部加速度响应最大,而塔筒底部位移角响应最大;模型结构相对于地面的最大位移角在3%~4%,高于一般钢结构设计限值,在风力发电塔结构设计中应予以重视。此外,提出了一类基于Butterworth数字滤波器的两步滤波方法,并对滤波器参数取值进行了研究,结果表明该方法有效解决了加速度积分漂移问题。

预应力锚栓式风力发电塔基础灌浆层的断裂及极限承载力研究

预应力锚栓式风力发电塔基础的灌浆层经常出现开裂掉角现象,断面整齐光滑。采用FRANC-2D建立灌浆层部位的线弹性断裂力学模型,分析裂缝发展路径及断裂强度因子的变化情况。模拟结果显示:裂缝由灌浆层和钢板的交界处产生,开始沿着水平方向向外缘发展,随后沿着45°向下开展直至开裂至灌浆层边缘;I型断裂强度因子在裂缝开展过程中先减小后增大再减小,且在裂缝开展至0.2倍总长附近达到局部最小值,此点可用于评估灌浆层的断裂承载力。不同灌浆层厚度和外伸宽度的参数化分析结果显示:厚度增大后,裂缝较易开展;宽度增大后,裂缝较难开展,且宽度影响更大。基于参数化分析及量纲分析,提出灌浆层断裂承载力的计算公式和可供工程参考的设计建议,并结合工程算例的线弹性断裂力学和疲劳断裂分析,验证了公式的有效性和适用性。

极端动力荷载下的风力发电塔筒生产法兰内倾度控制技术

针对现有风力发电塔筒无法抵抗极端动力荷载影响、法兰位移较大的问题,设计一种极端动力荷载下的风力发电塔筒生产法兰内倾度控制技术。使用SIMP方法控制法兰结构尺寸精度;采用刚性加固法控制法兰角变形量;使用分段焊接技术实现法兰焊接环节优化。实验结果表明,该技术应用后法兰位移基本控制在3 mm左右,提高了风力发电塔筒的抗极端动力荷载能力。

风力发电塔螺栓松动监测系统的建立与应用

风力发电塔采用法兰和高强螺栓对其多段塔筒进行拼接,在长期动荷载作用下经常出现螺栓松动的情况,若不及时采取措施会影响风塔的整体安全。现有的螺栓松动检测主要依靠人工,其高额的成本导致检测周期一般超过6个月。这将导致大部分螺栓在松动后无法及时采取措施,从而增加结构的安全隐患。为保证维护风电场大型风电机组安全、可靠、经济和优化运行,提出了一种风电螺栓在线状态监测与故障远程诊断系统,根据推导出螺栓转动松动角度与预应力损失率的本构公式,采用基于PAC二维码辅助的计算机视觉算法对转角松动数据进行采集以实现远程监控预警。结果展示了硬件架构和软件界面,在国内东部某风场的5台风机中取得了64颗螺栓在1年内的转动松动数据,进一步为结构损伤数据驱动的研究铺平道路。

风力发电塔预埋塔筒基础健康监测

以风力发电塔预埋塔筒基础为研究对象,建立一种基于振弦式应变计的长期监测系统,对风力机基础从养护到运行期间进行监测,对基础缺陷的出现和演化进行量化分析。监测结果表明,在基础养护期间基础环底法兰两侧混凝土出现裂缝,风力机运行期间外侧裂缝宽度随着外荷载的变化而变化;基础环底法兰上下两侧混凝土在监测期间处于正常状态,混凝土压应变分布和波动规律受到风速和风向的影响;风力机基础健康监测系统能正常运行,实现了预期设计的功能,长期监测数据可识别损伤信息,为风力机基础的维护和管理提供依据和指导。

风力发电塔系统TMD控制振动台试验研究

通过不同桨叶转速、不同地震动输入下的风力发电塔系统在TMD控制下的振动台对比试验,研究TMD对风力发电塔系统的控制效果及其影响因素;在试验的基础上,利用ANSYS软件对风力发电塔系统建模,对其在有无TMD控制下的地震反应进行有限元模拟,并与试验结果进行比较,得到与振动台试验相一致的结论。

近断层地震滑冲效应下风力发电塔动力响应和振动控制试验研究

为研究近断层地震滑冲效应脉冲对大功率风力发电塔架结构的影响及应对措施,以丹麦某3MW风力发电塔为原型制作缩尺模型并设计相应滚球减振器进行模拟地震振动台试验研究,考察其非线性动力响应及振动控制装置的有效性.选取具有滑冲效应脉冲的1999年Chi-Chi地震TCU052台站记录及其过滤修正记录作为输入,对比分析不同输入下无控制装置时模型的响应并建立试验模型的有限元模型对比数值计算结果和试验结果;考察设置滚球减振器后模型在有滑冲效应脉冲记录下的响应,对比分析了在总重相等时单个滚球和多个滚球布置方案下减振器的减振效果.研究表明:近断层地震滑冲效应脉冲使得结构响应明显增大,建造在地震带上的大功率风电机组设计时宜考虑其不利影响;设置滚球减振器可有效减小塔架结构响应均方差30%～40%,且多个滚球布置方案优于单个滚球.

结构设计竞赛中风力发电塔模型设计与制作

以第三届全国大学生结构设计竞赛为背景,介绍了浙江大学参赛作品的设计与制作过程.本届结构设计竞赛与往届相比,命题中引入了多学科交叉的元素,以设计制作木结构风力发电塔为目标,除了要求结构具有足够的承载能力和刚度外,还要求风力机具有尽可能高的发电量,模型设计与制作难度非常大.浙江大学参赛队将理论与实践紧密结合,设计并制作出与本届竞赛试验条件相适应的风力发电塔,取得了优异的成绩.本文的设计思路和模型制作方法对结构设计竞赛有一定的参考价值.

盆式调谐/颗粒阻尼器在风力发电塔振动控制中的实测研究

基于调谐质量阻尼器和颗粒阻尼器的工作原理,提出了一种适用于风力发电塔架振动控制的盆式调谐/颗粒阻尼器.为了研究阻尼器的减振效果,以某1.5 MW陆上风机为样机,设计、制作并分阶段将阻尼器安装在塔顶平台.在塔顶布置加速度传感器测得急停工况和正常运行工况下风力发电塔顶部的动力响应.采用峰值法得到急停工况下塔架的一阶模态阻尼比,采用散点法得到运行工况下阻尼器的减振效率.实测分析结果表明,该阻尼器不仅可以有效增加急停工况下塔架垂直主轴方向的一阶模态阻尼比,还可有效减小大风条件下风机运行工况下塔架的振动.

滚球阻尼器在风力发电塔架中的振动控制

基于调谐质量阻尼器(TMD)原理,设计了适用于风力发电结构的滚球阻尼器,通过振动台模型试验,研究了该阻尼器的减振效果.试验表明,这种新型的滚球阻尼器的质量仅为一阶模态质量的1.5%～2.5%,可有效提高结构阻尼,在不同的工况下均具有较好的控制效果,可使试验模型的底部弯矩和塔顶位移的标准差减小20%～46%.这种阻尼器施工工艺相对简单,因此具有良好的经济性和实用价值,值得在实际工程中推广.

风力发电塔基础设计改进研究

风力发电是新能源中技术最成熟、商业化发展前景最好的发电方式之一,近年来在我国取得了迅猛发展。风力发电塔基础是结构的重要组成部分,它承担着将上部结构所承受的全部荷载和作用安全可靠地传递到地基,并保持结构整体稳定的作用。风力发电塔基础的选型及布置与外部荷载和作用的类型、场地和地质条件均有密不可分的关系。针对我国风力发电塔基础设计的现状,提出根据基础受力特点和工程实际地基土类别对基础进行改进和优化设计。并以地质条件不同的两个风力发电场基础设计为例,说明基础改进设计的可行性和经济性。

海上半潜式风力发电塔基础的水动力学特性分析

提出一种强度与流场分析相结合的方法,利用Solidworks软件对半潜式基础进行建模及应力分析,并进行模态分析,比较不同频率之间振型,得出振动特性,利用FLUENT软件单向耦合分析法进行速度场和压力场数值模拟及水动力学特性分析。结果表明,横梁三角形各个角度的流场和阻力特性变化呈非线性关系,影响流速大小,进而对于侧向流及漩涡的形成产生影响,并且侧向流越大,越容易形成漩涡。

风力发电塔架振动特性联合仿真应用研究

风力机塔架是整个风力发电机组的支撑部件,其承载能力决定风力发电机组的安全性与正常运行。针对风力发电塔架振动引起的风力发电机组失稳问题,运用联合仿真技术,在Solidworks中建立塔架三维结构动力学模型。利用有限元分析软件ANSYS对塔架的振动特性及风致响应进行分析,提取模态分析的前五阶非零模态振型,对各阶的位移与振型图进行分析。针对塔架在极端环境下动力响应变化情况,进行脉动风速下塔架应力变化分析。风致响应是衡量塔架正常运行的重要指标,应力变化幅度决定塔架强度是否满足强度要求,以防止塔架结构断裂。分析结果表明,塔架前三阶振型为横向弯曲,无明显位移偏移量;第四阶振型出现横向弯曲和扭转变形,振动位移和应力变化幅度较大;第五阶振型出现扭转。该结果为塔架的振动特性提供了依据,从而避免了风力发电机组失稳现象的发生。

采动地表倾斜变形对风力发电塔筒的影响研究

为在大型风电塔筒下实现安全采煤,以采动工作面上的风力发电塔筒为原型,采用ANSYS数值模拟软件分析研究了塔筒在不同地表倾斜变形情况下的轴向应力和变形特征关系,得到了不同地表倾斜变形下塔筒的轴向拉(压)应力、综合位移和最大倾斜率。研究结果表明:在开采影响下,随着地表倾斜变形的增加,塔筒的轴向最大应力呈线性增加趋势,塔筒的最大倾斜率也呈线性关系增加;当开采引起的地表倾斜变形超过安全临界倾斜变形时,塔筒最大轴向应力大于其许用应力,塔筒处于不安全的状态;塔筒自身的形态也对倾斜变形十分敏感,很小的倾斜变形都会使其发生破坏,对此对塔筒提出了相应有效保护措施。

风力发电塔基础设计研究优化

以四个实际的风力发电塔基础为工程背景,指出了现有基础结构形式的缺点,提出了多向预应力方案,对原方案进行优化设计。对目前两种典型的风机型号:陆地1.5 MW风机和潮间带3 MW风机的基础进行了优化设计和计算,并与原设计进行对比。总结出预应力筋配筋的面积估算公式,并与实际计算结果做对比。结果表明:多向预应力方案更具有经济性,耐久性;面积估算公式结果与实际配筋相差不大。

钢-钢筋混凝土组合结构太阳能发电塔强震响应分析

为探究钢-钢筋混凝土组合结构太阳能发电塔实际工程在强震作用下的抗震性能,通过振动台试验和ABAQUS软件对缩尺模型结构进行动力响应时程分析,并得出结论:试验和ABAQUS计算的结构前二阶频率分别为2.002、2.026 Hz和2.072、2.094 Hz;随着输入地震烈度的增大,结构加速度响应峰值和位移响应峰值的出现时间逐渐向后推移。Taft波频谱特性对结构动力响应影响较大;模型结构底部剪力最大,塔顶紫铜结构的受力小于混凝土筒体结构。试验和ABAQUS计算的剪力响应最大值分别为71、73 kN;模型结构质心下部所受轴力较大,试验和ABAQUS计算的轴力响应最大值分别为146、143 kN;在峰值加速度0.900g强震作用下,竖向地震对结构的影响大于水平向地震。

基于地震荷载作用下的风力发电塔的地震响应分析

基于地震荷载的作用,应用大型有限元软件FINAL,研究不同结构参数的风力发电塔在地震荷载作用下的地震响应,以及比较它们之间的差异,进而得出改变风力发电塔的结构参数对于地震响应的影响规律。以二维风力发电塔模型为例,建立4个不同参数的模型,首先进行模态分析,计算出每个模型的固有频率,通过比较固有频率得出结论,并对其进行比较分析。然后对4个模型施加1993年北海道西南海面桥地震波形,分析比较它们在此地震波形作用下的地震响应值,进而得出不同的结构参数对地震响应的影响规律。

新型分段式风力发电塔架结构改进及性能研究

为提高风力发电塔架生产与运输效率,提出一种分段式结构,并且从空气动力学和结构动力学分析了该塔架的优越性。利用Solidworks对分段式塔架进行强度校核,进行可行性分析,将分段式与不分段的锥筒式塔架进行结构强度对比,得到了分段式塔架连接处受载荷时的应力云图;利用FLUENT软件对分段式和不分段锥筒式塔架空气流场进行数值模拟,得到了分段式塔架的风振响应时程曲线并与不分段锥筒式的进行了对比。结果表明,在额定风速和暴风下,分段式塔架时程曲线中的最大应力值与位移值比不分段锥筒式小,采用分段式比不分段锥筒式更适应各种工况下风载荷响应。

随机近场地震作用下风力发电塔结构振动台试验研究

近场脉冲型地震动经常含有较大的加速度峰值及显著的速度脉冲效应,且表现出更明显的不确定性,可能对长周期结构造成严重的破坏。利用近场速度脉冲模型及随机地面运动模型合成了35条基于8度多遇条件下的不同类型随机波样本,按照1/20缩尺比例设计并制作了某2 MW风电塔试验模型,以上述随机地震为试验输入,对模型进行了振动台试验,研究了随机地震作用下风电塔模型结构的响应特性,并对离散性进行了分析。结果表明:模型结构反应表现出显著的离散性,位移反应的变异性沿塔高增加,而剪力反应的变异性随塔高减小;相同幅值脉冲型地震波作用下塔顶加速度、位移及塔底剪力大于无脉冲波,且随着脉冲数量增加,结构反应也呈增大趋势;脉冲型随机波作用下结构加速度响应主要受基本振型控制。