土-构耦合效应对15 MW风力机地震动态响应的影响

为研究土-构耦合效应对下一代大型海上风力机地震动态响应的影响,通过对开源软件FAST进行二次开发,采用模态加速度法计算地震载荷,建立了海上风力机地震动力学仿真模型,并据此研究了考虑及忽略土-构耦合效应时15 MW风力机在正常运行工况和停机状态下的塔顶振动和支撑结构载荷变化特性。结果表明:土-构耦合效应虽然对地震诱导塔顶振动剧烈程度的影响较小,但在一定程度上抑制了停机时侧向振动的恢复;忽略土-构耦合效应将导致泥面处结构弯矩的预估值偏低约29.6%;考虑土-构耦合效应时,面内弯矩在地震结束后依然保持较大的变化幅度;针对海上风电结构抗震设计,应当考虑增加系统阻尼以及时降低由地震激励引起的面内载荷。

极限环境载荷诱导风力机结构振动影响分析

风力机桩基、塔架及连接部件构成的支撑结构属顶部承担较大质量的力学结构,地震对其造成的影响远大于常规建筑。针对上述问题,基于NREL开发计算平台,联合TurbSim、AeroDyn、FAST及Seismic,对变风载荷、变地震载荷(波形、强度)下的风力机动力学响应进行研究。发现:地震横波对风力机结构响应造成剧烈影响,纵波相对于横波影响较小;风力机在水平方向的结构响应比竖向更剧烈,垂直方向的结构响应在结构分析时可忽略不计。叶片的结构响应主要由风载荷造成;因风载荷在来流方向的作用导致塔顶流向位移和塔架侧向弯矩受风载荷和地震载荷同时影响,塔顶侧向位移和塔架流向弯矩受地震载荷作用更显著。

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。

基于中国实测地震有效持续时间的风力机地震动力学研究

基于我国实测地震,对10 MW单桩陆上风力机在地震及湍流风载荷作用下的结构响应和局部损伤特性进行研究。采用阿里亚斯强度计算有效地震持续时间,从而对风力机进行时域分析。采用壳单元精细有限元模型,构建考虑湍流风、地震及土-构耦合效应的多物理场模型,开展10 MW单桩式陆上风力机的结构动力学研究。结果表明:湍流风载荷和地震载荷分别为影响风力机塔顶前后向位移和塔顶侧向位移的决定因素;地震载荷不同会导致地震诱导结构屈曲模态发生变化。

地震诱导紧急停机状态下近海风力机动力特性研究

为研究超大型单桩式近海风力机在紧急停机状态下的动力学特性,以DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,建立风浪相关的湍流风-波浪-地震载荷多物理场模型,通过p-y曲线法、Q-z曲线法及Winkler模型构建土-构耦合模型,对比研究其在正常运行、停机及紧急停机状态下的动力学特性。结果表明,风力机在停机状态下受地震载荷影响最大,较未发生地震,其塔顶前后向及侧向位移极差分别增加249.22%及1869.14%,支撑结构剪应力峰值增加约333.33%。在进行紧急停机操作时,由于叶片变桨作用,致使支撑结构剪应力及塔架应变能大于同时刻正常运行状态。紧急停机操作,加大了塔顶位移范围,使塔顶振动中心向湍流风来流方向偏移,同时有效缓解风力机在外部载荷作用下所造成的支撑结构剪切力激增及塔架前后向应变能集聚现象。

考虑SSI效应的下一代大型海上风力机抗震控制研究

为研究地震载荷对海上风力机结构动力响应。以IEA 15 MW单桩风力机为研究对象,基于开源软件FAST二次开发,考虑土-构耦合效应,通过模态加速度法和调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)编写了海上风力机地震动力学仿真及结构控制程序,研究三种不同载荷场景下风力机结构动力响应变化以及TMD对塔架振动效果的影响。结果表明,地震载荷为风力机塔架振动的主要因素,风载荷与波浪载荷对地震后塔顶纵向位移影响较大;TMD能有效降低塔顶振动,降低峰值40%以上,对地震后塔基面内弯矩降载明显,降低标准差70%。

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%。

冲刷作用下大型单桩式风力机多物理场动力学响应分析

为研究冲刷及风-浪-地震载荷对大型海上风力机动力学响应的影响,建立了考虑土-构耦合效应的单桩支撑结构有限元模型,对风力机进行时域分析。结果表明:冲刷对风力机高阶模态影响更大;仅有风-浪载荷激励时,随冲刷深度增加,风力机塔架和桩基整个时程曲线不断上移,位移显著增加,塔架和桩基主要运动都发生在湍流风来流方向;在风-浪-地震载荷联合激励下,塔架和桩基动力学响应有所差异,当冲刷深度较小时,风力机塔架位移逐渐增加,但随着冲刷深度增加,塔架位移反而逐渐减小,而桩基位移随冲刷深度增加一直减小;风力机受风-浪-地震载荷作用下各冲刷深度塔架和桩基位移相较于风-浪载荷时都有所增加。