海上风电基础结构动力分析

针对单桩、三桩、四桩导管架3种常规海上风电基础结构型式动力特性展开研究。以模态分析为基础,获得结构整体固有频率和振型;进而综合运用谐响应分析、瞬态分析、谱分析等方法,对基础结构在简谐荷载、冲击荷载、地震荷载及波浪荷载作用下的动力响应特性进行了数值模拟计算和分析。结果显示:本设计中的单桩、三桩、四桩基础结构刚度依次增大,一阶固有频率递增;对于相同的动力荷载激励,基础结构动力响应递减;基础结构设计中既要保证结构具有足够的刚度以满足荷载作用下的变形控制要求,还要使基础刚度适中以避免共振。为海上风电基础结构动力分析提供了参考。     

海上风电倒Y形导管架筒型基础受力特性研究

以一6.7 MW风机为研究对象,提出了一种适用于30～50 m水深的海上风电倒Y形导管架筒型基础结构型式,采用三维精细有限元模型对结构的受力特性展开研究,包括结构的自振特性以及在随机风浪流荷载作用下的动力响应。研究结果表明,倒Y形导管架筒型基础采用“三腿变六腿”导管架的结构型式,能够更加有效的将上部荷载传递至下部筒型基础,具有较好的受力特性和传力体系;整机结构的前两阶自振频率均在风机允许运行的频率范围内;在50年一遇极端随机风浪流荷载作用下,整机结构的位移响应和应力响应,均可满足结构安全使用要求。     

基于2010—2020年东海风浪统计数据的海上风电吸力桶基础动荷载承载特性

为了得到桶基础承受风、浪动荷载的承载性能,结合我国东海地质条件,统计中国东海2010—2020年浅、深海风速和最大海浪数据,通过计算得到风浪荷载并制成ABAQUS软件幅值曲线施加到海上风电吸力桶基础上,分析了吸力桶基础在动荷载作用下的承载特性。结果表明：吸力桶基础受风、浪荷载影响明显,桶基础迎力面受到风浪动荷载产生拉拔现象。在浅海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形不协调,风浪荷载最大的10月份桶基础迎力面最大位移超出了规范0.02D的限制,基础失稳;桶基础背力面受压变形较小。在深海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形相对协调,施加风浪荷载后桶体迎力面最大位移为14.9 mm,整体上迎力面位移比背力面位移大4 mm,桶体处于稳定状态。相较浅海区的吸力桶单桶结构,深海区吸力桶结构由于尺寸增加,桶体的稳定性得到提高,说明吸力桶结构的尺寸对稳定性起决定性作用。     

桶形基础海上中间试验研究

论述了桶形基础负压沉贯在海上试验的方案,方法和过程,以及各种试验数据的取得方法,对桶型基础平台的现场施工具有指导意义。     

海上风电大直径加翼桩水平承载性能研究

为改善海上风电大直径钢管桩的水平承载性能,基于ABAQUS有限元软件对单桩改进形式的加翼桩结构进行了系统研究,计算分析了软黏土地基中加翼桩在水平荷载作用下桩身弯矩、应力、位移、桩身泥面处倾斜率和极限承载力,研究了加翼桩面积、形状、埋深和刚度等翼板参数对加翼桩水平承载性能的影响规律,根据加翼桩的桩-土作用机理,参考现行规范模式提出适用于软黏土地基大直径钢管桩的P-Y曲线。研究结果表明,加翼桩通过在泥面处设置翼板可降低桩基泥面处倾斜率50%、提高桩基极限承载力60%以上,加翼桩水平承载性能明显优于单桩。     

海上风电基础结构研究现状及发展趋势

对国外海上风电机组基础结构的研究与工程应用现状进行了较为详尽地分析,重点对我国海上风电场开发建设有借鉴意义的重力式结构、单桩结构、三角架结构和导管架结构进行了分析论述.基于我国海洋工程技术水平和海上风电产业发展的动态,分析发展适合我国国情的海上风电机组基础结构的可行性及必要性,提出我国海上风电产业发展所面临的挑战.     

基于实测数据的海上风电结构动力响应分析

地震是危害海上风电结构作业安全的重要环境因素,目前,国内尚未公开发表真实地震响应下,海上风电结构的实测动力响应数据。分析了某地震活动区海上风电结构的实测地震响应,采用随机子空间识别方法进行风机的模态识别,阐述了风机机舱偏航将引起前后、左右两个正交方向振动的耦合,并从理论上证明了利用耦合、解耦数据识别模态参数的差异。结果表明：1）耦合与解耦信号识别的频率、阻尼比完全相同,而耦合信号识别的模态振型与偏航角有关;2）地震作用会对结构产生巨大冲击;3）非地震作用下,风机塔筒前后、左右第一阶弯曲模态为主要模态,地震作用可以激发风机的高阶模态,使得塔筒中上部而不是顶部的振动响应最大。此分析对地震活动区海上风电结构的抗震设计具有一定的参考价值。     

海上风电装配式多桩承台基础结构研究

文章针对海上风电多桩承台基础,从桩基结构和上部承台结构两方面进行优化,提出了带预应力锚杆的装配式全直桩承台新结构。结合国华东台海上风电项目,采用Abaqus软件建立模型,模拟装配式承台结构的实际受力,研究装配式承台的结构应力和桩身水平度等设计参数。计算结果表明:装配式承台结构应力和位移满足规范要求,具备施工可行性,有一定的应用前景。     

国内外海上风电机组基础结构设计标准浅析

对国内外海上风电机组基础结构设计规范和相关标准进行了对比研究,结合我国海上风电机组基础结构设计开发中遇到的问题,论述海上风电机组基础结构设计中关于安全理念和设计荷载的设计方法和标准;分析对比各国规范对海上风电机组基础结构设计的推荐做法,剖析各国规范的设计理念和方法;比较海上风电机组基础结构与海洋石油平台在设计理念和设计标准方面的异同,并根据海上风电和海洋油气的行业特点,分析海上风电机组基础结构设计规范和海洋石油平台设计规范对于海上风电机组基础结构设计的适用性。在此基础上,基于我国海洋工程技术和海上风电产业的发展水平,提出发展我国海上风电机组基础结构的设计建议,指出我国海上风电开发中应注意和避免发生的问题。     

桶形基础负压沉贯海上试验研究与应用

海上现场试验对于桶形基础平台的沉贯安装十分重要。论述了桶形基础平台原型单桶模型在海上现场负压沉贯的方案、方法和过程,得出了试验结论,并将试验成果成功应用于ＣＢ２０Ｂ采油工艺平台的海上沉贯安装,对浅水区桶形基础平台的现场施工具有指导意义。     

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核.考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性.结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升.波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大.垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区.此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大.     

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

Scour effects on bearing capacity of composite bucket foundation for offshore wind turbines

Abstract

Composite bucket foundation (CBF) is a wide-shallow foundation for offshore wind turbines, which can be transported and installed with the turbine as one unit at a one-step operation. Compared with deep pile foundations, its structural stability is more sensitive to the scouring by waves and currents. In this paper, a three-dimensional finite element model with CBF and surrounding soil is established to estimate the failure mode at different given soil scour conditions. The loading on CBF for offshore wind turbines is characterized by relatively small vertical loading V, larger horizontal loading H, and bending moment M, and the effect of erosion on bearing capacity of CBF is determined by using the fixed displacement ratio method. In addition, the failure envelopes of the CBF applied in H–M and V–H–M loading modes are obtained. Results indicate that the bearing capacity of CBF under horizontal loading and bending moment will be significantly reduced by the decrease in the embedded depth of CBF due to the scouring depth and extent, as well as the H–M, and V–H–M failure envelopes. The structural stability safety factor of CBF under different scouring conditions can be obtained through the three-dimensional envelope surface with respect to scouring depth and extent.     

单向荷载作用下海上风机多桶基础承载特性数值分析

作为一种新型的深水海上基础型式,桶形基础在海上风机设施设计与建设中逐步得到了发展和应用。以三桶基础为例,采用大型有限元软件ABAQUS对海上风机多桶基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。根据海上风机的荷载受力特点,分别探讨了三桶基础在竖向荷载、水平荷载和力矩作用下的极限承载力,得出荷载作用方向及桶间距对极限承载力的影响程度,研究成果为复合加载模式下海上风机多桶基础的承载特性分析奠定了基础。     

海上风机支撑结构设计分析

介绍海上风机支撑结构的一般失效形式,提出了适合工程实践的设计分析方法,并以某一单立柱三桩的海上风机支撑结构为例,进行了最终强度计算、动力特性分析以及疲劳强度分析。计算结果表明:1)疲劳工况是结构设计的控制工况;2)支撑结构振动频率在风机工作频率1P和3P之间;3)风机工作时的气动阻尼可有效减少支撑结构振动和疲劳损伤。     

海上风力发电机三桩基础波流力的计算

考虑了波浪在水流中的变形,计算了波流共存场中海上风力发电机三柱基础的受力.应用离散涡法,求解了不可压缩粘性流体的水平二维涡量-流函数Navier-Stokes方程,模拟了不同桩位布置对波流场的影响.以及各桩受力和三桩基础总力的随布置方式不同的变化.     

海上风机斜壁桶形基础承载特性研究

基于验证的三维有限元方法,考察了斜壁桶形基础的承载特性,得到了变形网格、位移增量分布、位移等值面分布等结果,探讨了斜壁倾角与各极限承载力之间的定量关系。计算表明,桶形基础发生竖向位移时,主要是桶体内部和桶基正下方的土体发生沉降,而桶侧的土体基本不发生沉降。桶形基础受到水平荷载发生转动时,转动中心轴大致位于桶基底面内,桶基水平承载力主要由桶内土体和桶基外侧中上部受压侧土体产生的抵抗反力构成。桶基因受到较大竖直向上荷载而失效时,桶内土体和桶基外侧靠近海床面附近土体产生了较大的向上位移。桶壁倾角β每增加1°,竖向抗压极限承载力、竖向抗拔极限承载力、水平极限承载力分别提高12%、17.4%及3.8%。