海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析

海上风电支撑结构不同于一般海洋结构物,它受到复杂的风机气动荷载、机械控制荷载和海洋环境荷载的多重作用。文章针对海上某单立柱风电支撑结构,通过分析其结构固有频率的约束限制以及外环境荷载的动力特性,综合考虑外环境荷载尤其是风机荷载的动力放大影响,给出海上单立柱风电支撑结构的拟静力分析思路。并进行极端及操作工况下支撑结构在风、浪、流环境荷载组合作用的应力计算和强度分析。提出该种结构在使用现有海洋结构物设计规范和风机设计规范时的注意事项。该分析比较结果及结论可作为海上类似风电支撑结构的设计参考。     

支撑结构频率对海上风机动力响应的影响机理研究

海上支撑结构的优化设计是海上风机技术发展的必然趋势,降低支撑结构的载荷是保证风机安全运行的有效途径。海上支撑结构受到风浪复杂环境荷载作用,风、浪载荷决定着塔底承受较大的剪力和倾覆力矩,同时风浪的随机性和周期性会影响塔架的疲劳载荷。基于海上风机支撑结构频率对载荷影响的研究,分析海上支撑结构频率对叶片根部挥舞和摆振响应的影响,探究频率对风机响应的影响机理。研究表明：波浪频率诱导是基础疲劳载荷响应的主要原因;开展单桩基础设计,当整机频率确定时,基础变径段可设置于浪溅区下部区域范围;叶片摆振响应受1P频率影响较大,在风机设计时可增加叶片摆振方向的阻尼;当整机频率邻近3P频率时,塔筒刚度变化对基础载荷响应的影响大于基础刚度变化;海上支撑结构设计时可优先考虑塔筒刚度。     

水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用研究

海上风电作为一种清洁绿色的能源越来越受到人们的关注,海上风机会承受风、浪、流等水平荷载的作用,因此水平荷载下海上风机单桩基础桩土相互作用一直是人们研究的热点。本文对水平荷载作用下海上风机单桩基土相互作用进行研究,通过ABAQUS有限元数值分析软件建立桩土模型。结果显示:桩顶水平极限位移约为11.25cm,海床面以下1~5m范围为桩身弯矩和桩身mises应力较大的区段;随着桩顶水平位移的逐渐增大,桩身挠曲逐渐向深处发展,桩体位移零点位置逐渐向下;桩体的水平位移会对桩侧土体产生挤压作用,这种挤压作用会使土体塑性屈服区逐渐向下发展,土体水平位移呈半圆形放射状分布,浅层土体mises应力产生非对称分布。     

一种新型Semi-Spar式海上风机平台系泊系统优化分析

参考英国的Kincardine风机采用的新式的Semi-Spar概念,结合spar式基础和半潜式基础的特点,提出了一种新式海上浮式风机平台模型,并基于三维势流理论,利用AQWA软件进行水动力计算,验证新式平台可靠性。分析了在风、浪、流荷载联合作用下,锚链竖向夹角、系缆数量对风机浮式平台运动性能和系泊张力的影响,对系泊系统进行优化,并验证极端工况下的可靠性。结果证明风机平台水平运动和纵摇运动幅值较小,但垂荡幅值略大,而通过减小锚链竖向夹角可以控制平台运动响应幅值,增加系缆数量可以同时减小系泊张力大小。计算结果证明了新型Semi-Spar式海上风机平台可行性,为浮式风机平台及系泊系统的设计提供参考。     

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。     

海上风电支撑结构静力弹塑性Pushover分析方法

我国海上风电建设主要分布在东南沿海,该区域地震荷载作用显著,海上风电属于动力敏感结构,因此,在海上风电结构设计中,对其抗震性能进行评估十分重要,但当前海上风电的抗震性能评估方法不够完善。本文基于建筑结构和地下结构Pushover分析方法,建立了适用于单桩基础海上风机支撑结构的整体Pushover分析方法,开展了海上风电支撑结构抗震性能影响因素分析。研究结果表明,整体Pushover分析方法评估单桩基础海上风电的抗震性能具有一定的可靠性;对于砂土地基,弹性模量与内摩擦角的增大均会导致性能曲线斜率的增大;对于黏土地基,弹性模量与粘聚力的增大均会导致性能曲线斜率的增大;内摩擦角与粘聚力对砂土与黏土地基性能曲线的线性阶段几乎无影响。     

波浪荷载及土体特性对风电单桩基础水平变形影响规律

大直径单桩基础是海上风电应用广泛的一种基础形式,严格控制桩基泥面处的位移是保证基础稳定和风机安全运营的关键因素.通过数值方法建立了单桩—海床的三维模型,将可以描述海洋砂土超固结性和结构性的弹塑性本构模型通过UMAT子程序嵌入有限元软件ABAQUS中,桩基承受的波浪荷载通过Morison方程进行计算模拟.针对无波浪荷载、仅作用于海床的波浪荷载、同时作用于桩基和海床的波浪荷载三种情况,分析了海床土的动力响应以及桩基的水平位移之间的差异,探讨了海床土体参数对桩基水平变形的影响.研究结果表明海床土体液化会导致桩基水平变形增加,海床土渗透性、超固结性、结构性对桩基水平位移影响显著,研究成果可为海上风电单桩基础的设计与运维提供参考.     

冰区海上风机支撑结构疲劳评估方法研究

采用谱分析的方法,对冰区作业的海上风机支撑结构进行疲劳损伤评估。基于风冰散布图,将海上风机所受的风载荷和连续挤压冰载荷作为系统输入,热点应力作为输出,运用随机振动理论与主应力线性化方法,对冰区海上风机支撑结构进行疲劳评估。以某2 MV海上风机支撑结构为计算实例,验证频域疲劳评估方法的准确性。频域方法与时域方法计算结果吻合较好,证明了频域方法的快速有效,可用于快速评估风机支撑结构的疲劳损伤。     

风、浪荷载作用下海上风机单桩结构灌浆连接段疲劳性能评价

灌浆连接段的疲劳性能对于海上风机单桩支撑结构至关重要。基于385种工况下的某实际5 MW单桩风机支撑结构在风、浪荷载作用下的动力响应分析,获取了灌浆连接段荷载边界条件时程。建立灌浆连接段精细化有限元子模型,将荷载边界条件转化为应力时程。对于剪力键采用"热点应力"方法进行疲劳性能评价。对于灌浆材料,选取剪力键附近灌浆材料单元积分点处的第三主应力进行疲劳性能评价。采用Palmgren-Miner线性损伤累计准则和雨流计数方法进行疲劳损伤的累计。在某实际灌浆连接段20年的设计寿命周期内,最大剪力键总疲劳损伤为1.35×10~(-10);最大灌浆材料总疲劳损伤为1.54×10~(-3)。由此可见,灌浆连接段的疲劳性能由灌浆材料控制,且损伤值远小于限值1/3,在现有的荷载条件下,灌浆连接段不会发生疲劳破坏。分析产生损伤较大的几种工况可知,风速对现有单桩结构灌浆连接段疲劳的损伤起控制作用。     

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。     

首尾两点系泊系统设计及水动力性能分析

海上油轮在服役过程中受到随机风浪荷载和随机海流的共同作用,因此其系泊系统的合理设计对于实现其正常功能有着重要作用。本文以某油田开发工程为例,采用AQWA计算软件,对一艘首尾系泊的油轮进行了水动力性能分析。考虑了系泊缆的水动力特性以及系泊系统与油轮之间的耦合影响,研究了不同方向的风、浪、流等环境荷载对两点系泊系统动力响应的影响,为首尾两点系泊系统的设计应用提供了一定的参考。     

复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷研究进展

文章从桩基—土体相互作用与传统桩基冲刷两个方面对国内外复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷相关研究进行了系统的回顾与分析,总结了这两个方面研究中各自存在的不足。为了使研究成果更贴近工程实际,建议该领域未来的研究中应同时考虑传统冲刷研究中的水动力荷载与桩基在复杂荷载作用下的循环振动响应,深入探究冲刷过程对风机单桩基础结构动力特性的影响,揭示复杂荷载动力条件下风机单桩基础附近的冲刷机理,进一步优化现有冲刷防护设计。     

黄河三角洲海上风机新型吸力锚基础型式分析

海上风力发电是未来风电产业的主要趋势,黄河三角洲沿海滩涂地带风能蕴藏量丰富,多为风能富集型,具有很大的开发潜力。但水下黄河三角洲地域条件复杂,广泛发育着不稳定地形地貌,加上波浪荷载和风荷载的联合作用,极易引起海床土体侵蚀液化,直接影响海上风机基础的安全稳定性。在分析了现有海上风电风机基础的优缺点后,针对现有风机基础存在的弊端,提出了一种新型伞式吸力锚基础,并对其结构优势和安装方法做了说明,该新型吸力锚基础独特的结构设计在黄河三角洲地区风电开发中具有一定的应用前景。     

海上风机吸力式桶形基础承载特性研究综述

风机基础作为海上风机整体结构的重要组成部分,承受着上部风机所受到的风浪流荷载,并且对风机的安全性及可靠性至关重要。吸力式桶形基础由于其安装简单和可重复利用等优点,在海洋平台基础中得到了广泛应用,并逐步应用于海上风机基础中。但由于海上风机与海洋平台在海洋环境中的荷载工况有一定的差别,仍需要通过对其承载特性研究现状进行全面认识,以实现吸力式桶形基础在海上风机基础中的可靠应用。文中通过总结和评价现有研究对桶形基础在不同土体条件以及荷载条件下进行试验及数值模拟分析得到的研究结果,综述了静荷载和循环荷载作用下砂土和黏土中的吸力式桶形基础的承载特性研究现状,以及海上风机吸力式桶形基础的相关研究。文章展望了目前应用于海上风机基础的桶形基础仍缺乏的研究,为海上风机吸力式桶形基础的可靠应用及后续研究提供重要参考。     

海上风机吸力式桶形基础承载特性研究述评

风机基础作为海上风机整体结构的重要部分,承受着上部风机所受到的风浪流荷载,并且对风机的安全性及可靠性至关重要。吸力式桶形基础由于其安装简单和可重复利用等优点,在海洋平台基础中得到了广泛应用,并逐步被应用于海上风机基础中。但由于海上风机与海洋平台在海洋环境中的荷载工况有一定的差别,仍需要通过对其承载特性研究现状进行全面认识,以实现吸力式桶形基础在海上风机基础中的可靠应用。本文通过总结和评价现有研究对桶形基础在不同土体条件以及荷载条件下进行试验及数值模拟分析得到的研究结果,综述了静荷载和循环荷载作用下砂土和黏土中的吸力式桶形基础的承载特性研究现状,以及海上风机吸力式桶形基础的相关研究。文章展望了目前应用于海上风机基础的桶形基础仍缺乏的研究,为海上风机吸力式桶形基础的可靠应用及后续研究提供重要参考。     

考虑流固耦合效应的单桩式海上风电机组结构响应模拟

针对海上风电整机系统,建立了一体化流固耦合分析方法。在模拟过程中,采用浸入边界法解决风机叶片旋转引起的静动干涉问题,利用改进的守恒式 level set（简称 ICLS）方法捕捉海浪自由面,并使用交错迭代法求解流固耦合方程。通过构建 “风机—塔架—基础”一体化流固耦合数值模拟方法,能够在一次仿真计算中实现海上风电整机系统的全过程数值模拟,准确求解多荷载耦合作用下“风机—塔架—基础”的整体结构动力响应。以某单桩式海上风电工程为例,验证了本方法能够实现对海上风电整体系统的一体化分析。     

叶片变桨失效过程中空气动力失衡对海上风机影响

叶片桨距角之间的角度差异产生的空气动力失衡是海上风机的主要动力问题之一。基于海上风机分析程序FAST和水动力计算程序WADAM开发的一种时域数值模拟程序,可计算海上风机系统在风浪载荷作用下的耦合动力响应。应用此数值工具,模拟一个叶片上变桨控制系统失效的情况,研究空气动力失衡对浮式海上风机系统运动响应的影响。分析表明,空气动力载荷失衡引起的激振不仅激发了浮式基础的横向运动,而且增大了基础的纵荡运动和首摇运动。同时,空气动力失衡还大幅增加了风机塔柱底部受到的横向剪切力,对风机系统的安全性造成了威胁。     

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。     

台风作用下海上风机基础结构安全评价

海上风机结构在运营期内可能面临极端风浪、地震等荷载作用。因此,极端工况作用下海上风机局部和整体结构反应将成为结构设计以及安全评价的重要参数。采用半整体方法,以桩基泥面最大位移、结构杆件极端承载力以及桩基抗压、抗拔承载力为判定指标,基于塑性可靠度理论,系统研究台风条件下运营期内海上风机基础结构可靠度指标变化规律,得出潜在的基础结构失效模式及相应判定指标。由研究可得,台风条件下运营期内海上风机基础结构各可靠度将显著受到基础冲刷、海生物生长和结构腐蚀的影响,并且结构失效模式将由单一模式破坏发展为多种模式联合失效。     

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。