圆球减振装置对风力发电高塔的振动控制研究

本文提出了圆球减振装置对风力发电高塔振动控制的工作原理和计算方法,并对其控制效果进行了理论研究。首先利用拉格朗日方程推导得到圆球减振装置的自振频率及其对单自由度系统的被动控制力,并推广至多自由度系统。进而将风力发电高塔等效为集中质点模型,建立了风塔-减振装置体系的运动微分方程。用谐波叠加法模拟得到脉动风速时程,分析比较了风力发电高塔在无控及有控状态下的动力响应及疲劳寿命。计算结果表明,圆球减振装置是一种简单、经济和实用的减振装置,能够有效减小风塔的动力响应,延长其疲劳寿命。

风力发电高塔系统风致随机动力响应分析

介绍了一种高精度且高效的随机动力系统分析方法—广义概率密度演化方法。基于广义概率密度演化方法,结合随机脉动风场物理模型和"桨叶-机舱-塔体-基础"一体化有限元模型,分别对1.25MW风力发电高钢塔和钢筋混凝土风力发电高塔进行了风致随机动力响应分析,并将分析结果同确定性动力响应分析结果进行比较。研究表明,随机性对风力发电高塔系统结构风致动力响应分析的影响非常显著。

风力发电高塔系统抗风动力可靠度分析

介绍一种基于广义概率密度演化理论的动力可靠度分析方法.结合随机脉动风场物理模型和"桨叶-机舱-塔体-基础"一体化有限元模型,分别分析1.25 MW风力发电钢塔和钢筋混凝土风力发电高塔的抗风动力可靠度.研究表明,广义概率密度演化方法可以有效地分析风力发电高塔系统抗风动力可靠度.相比风力发电钢塔,钢筋混凝土风力发电高塔具有更高的可靠度.

基于物理机制的风力发电高塔系统旋转样本功率谱研究

为考虑桨叶的旋转效应,研究风力发电高塔系统旋转样本谱问题。首先,针对风力发电机旋转坐标系推导固定点风速功率谱物理模型,构建旋转样本谱源谱。在掌握旋转样本谱物理机制的基础上,对相干函数进行Fourier展开,借助δ函数的性质,从频域的角度出发建立一种旋转样本谱物理模型,有效解决了旋转桨叶荷载施加问题。以典型的1.25MW三桨叶变桨距风力发电高塔系统为例进行分析。研究表明,与经典紊流风谱相比,旋转样本谱的能量分布发生了根本的变化,其能量由低频向高频移动,在高频段曲线会出现多峰情况。随着计算点半径的增加,能量转移现象趋于显著。平均风速的增加会导致能量在各频率处分布更为均匀,谱峰形状趋于丰满。

基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟

为了准确确定作用于桨叶和塔体的风荷载,研究了基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟问题.依据随机过程的随机函数描述,提出了基于物理机制的旋转Fourier互谱,有效地考虑了桨叶旋转效应和桨叶上不同点风速之间的相关性.然后,对旋转Fourier谱(随机Fourier谱)作逆Fourier变换,实现了桨叶(塔体)的风场模拟.最后,结合典型的1.25 MW三桨叶变桨距风力发电高塔系统,进行了纵向风速场数值仿真研究.算例表明,该算法可以准确地模拟给定风环境的风力发电高塔系统脉动风速时程.

考虑土-结构相互作用的风力发电高塔振动控制研究

研究了考虑土-结构相互作用(SSI)的风力发电高塔振动控制问题。通过理论推导,得到了安装有圆球减振装置(BVA)的风力发电高塔位移传递函数,其中,特别考虑了基础与地基之间的相对位移及转角。运用经典随机振动理论,计算得到了结构无控及有控响应的均方根值。结果表明,SSI对风力发电高塔系统的动力特性具有显著影响。考虑SSI后,体系第一阶频率降低,传递函数峰值增加。当地基土剪切刚度较小时,SSI将降低调谐至嵌固结构基频的减振装置的减振效率。因此,在对软土基地上的风力发电高塔进行振动控制分析与设计时,应充分考虑SSI的影响。

考虑土-结构相互作用的风力发电高塔系统地震动力响应分析

研究考虑土-结构相互作用(Soil-structure interaction,SSI)的风力发电高塔系统地震动力响应分析问题。建立风力发电高塔系统"桨叶-机舱-塔体-基础"一体化的多体系统动力学有限元模型。基于多体系统动力学基本原理,风力发电高塔系统被离散为一系列连续的超级单元,而风力发电高塔系统土-结构相互作用则可通过在基础和土体交界面上设置弹簧和阻尼器来实现。在多体系统动力学方法中,可根据材料力学确定难于确定的超级单元参数和依据Lagrange法推导多体动力学控制运动方程。为了研究风力发电高塔系统的动力特性,基于欧洲规范(Eurocode8)对风力发电高塔系统进行了地震作用动力时程分析。研究表明,考虑SSI效应与否对结果影响较大。一般来说,考虑SSI效应会增加塔体基础与地基连接的柔度。同时,SSI效应在不同自由振动中所起的作用不一样,它对弯曲振动尤其是高阶弯曲振动的影响比较大。因此,在对风力发电高塔系统进行地震动力响应分析时,应该考虑SSI效应。

钢筋混凝土风力发电高塔数值分析

风能是一种清洁无污染的可再生资源,风力发电技术方兴未艾。目前,国内外已建的风力发电高塔主要采用钢锥筒塔形式,而关于钢筋混凝土塔体的研究与设计资料则较为缺乏。随着风机功率的提高,需要风力发电塔具有更大的塔身高度,而钢筋混凝土塔体无论在技术方面还是在经济指标方面都将表现出更大的优越性。本文以实际工程为背景,根据某钢筋混凝土风力发电高塔,采用有限元技术分析了该塔在塔顶静力荷载作用下的受力行为,比较了采用不同的有限元建模方式所得到的数值结果,分析了塔身开洞对钢筋混凝土塔体的受力行为的影响,验证了设计的合理性,为今后我国混凝土风力发电塔的设计与建造提供参考。

风力发电高塔系统阵风荷载因子法

给出了风力发电高塔系统阵风荷载因子法。与传统的阵风荷载因子法不同的是,因桨叶/塔体相互作用的存在,风力发电高塔系统阵风荷载因子包含两项共振分量。一般地,风力发电高塔系统包含桨叶和塔体两个子结构,每个子结构都可视为单自由度体系,二者耦合在一块构成两自由度体系。因桨叶和塔体自振频率可能相近,系统响应的共振分量包含了桨叶/塔体耦合系统前两阶振型的贡献。为获得风力发电高塔系统阵风荷载因子的准确值,给出了塔顶位移和基底弯矩阵风荷载因子数值解以及塔顶位移阵风荷载因子精确解。同时,针对桨叶不同转速给出了一系列考虑桨叶/塔体耦合的两自由度体系阵风荷载因子,并与不考虑桨叶/塔体耦合的单自由度体系阵风荷载因子比较,两者有一定的区别。

大型海上风力发电高塔随机最优减震控制

考察了基于结构动力可靠度的调谐液体柱形阻尼器(TLCD)参数优化设计方法,并用于风-地震联合作用及地震作用下海上风力发电高塔系统的随机最优控制。文中,采用Kane动力学-有限元一体化模型,建立了TLCD-结构整体系统方程。基于概率密度演化理论的极值分布方法,给出了基于可靠度的TLCD参数优化设计方法及程序解答。在数值算例中,采用随机谐和函数和物理随机风场模型分别模拟随机地震动和随机风荷载,通过对优化的受控系统进行随机反应分析与可靠度分析,比较了不同控制准则和约束条件下TLCD的减震控制效果。研究表明基于可靠度的随机最优控制方法是可行的。

考虑桨叶旋转效应的海上风力发电高塔系统随机风振响应与动力可靠度分析

研究了考虑桨叶旋转效应的海上风力发电高塔系统随机动力响应与风振可靠度分析。在风场模拟中,桨叶风荷载需要考虑旋转效应的影响。因此,对塔体风荷载,直接采用基于物理机制的随机Fourier谱,而对桨叶风荷载,则采用考虑桨叶旋转机制的随机Fourier谱概念。在此基础上,结合概率密度演化理论,对海上风力发电高塔系统进行了随机动力响应分析以及基于塔顶位移响应的风振动力可靠度分析。结果表明,上述方法能够有效地进行此类结构的随机动力响应及可靠度分析。

风力发电高塔系统地震动力响应分析

该文研究了风力发电高塔系统地震动力响应分析问题。首先,基于随机地震动物理模型,生成了均值参数地震动加速度时程。然后,建立了风力发电高塔系统"桨叶-塔体-基础"一体化有限元模型。为了明确土-结构相互作用(SSI)对风力发电高塔系统动力行为的影响,建立了考虑基础和周围土体影响的对比模型。在这两种模型的基础上,对风力发电高塔系统进行了地震作用动力时程分析。研究表明:风力发电高塔系统地震动力响应非常突出,在地震活跃地区,地震作用很可能成为风力发电高塔系统的控制荷载之一。同时发现,考虑SSI效应会导致结构响应一定程度放大。因此,在对风力发电高塔系统进行地震动力响应分析时,必须考虑SSI效应。

风力发电高塔系统参数分析

为了验证风力发电高塔系统参数敏感性,实现风力发电高塔系统的优化设计,本文采用通用软件ANSYS对风力发电高塔系统进行有限元建模,分析了钢塔塔体厚度、塔体高度和塔顶质量对风力发电高塔系统自振频率、屈曲荷载、刚度和结构内力的影响。分析表明,塔体厚度、塔体高度和塔顶质量对风力发电高塔系统自振频率、屈曲荷载、刚度和结构内力均具有较大的影响,是系统的敏感参数。这一分析为风力发电高塔系统的优化设计奠定了基础。

近海风力发电高塔波浪动力可靠度分析

采用基于广义概率密度演化方程的极值概率密度理论,该文研究了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力可靠度问题。波场由基于拟层流风波生成机制的随机Fourier海浪谱及线性波浪理论模拟,确定性结构动力响应由有限元模型分析给出。结果表明:采用极值概率密度理论可以方便地计算出不同阈值水平下塔顶侧移的动力可靠度,采用经典的Poisson模型计算的动力可靠度随阈值水平的降低而误差增大。

风力发电机高塔系统的自振特性及参数分析

为研究风力发电机高塔系统抗风、抗震等动力问题,基于有限元法对某1.2MW风力发电机进行了模态分析,研究了各阶模态振型特性,并通过改变塔架高度、厚度以及叶片长度等尺寸变量,讨论各尺寸变量对风力发电机高塔系统自振特性的影响。对多组数值模拟工况结果进行函数拟合,得到置信度较高的拟合公式,确定了各尺寸变量与风机高塔系统自振频率的函数关系。研究结果可为风力发电机高塔系统结构动力分析提供理论依据,并对工程实践有一定借鉴意义。