海上风电单桩式支撑结构冰激振动及参数敏感性分析

针对渤海湾某风电场的海上固定式风机支撑结构,采用适用于大直径单桩结构的PSI曲线模拟桩土相互作用,并采用SACS软件建立支撑结构的动力分析模型。首先对支撑结构进行模态分析;其次考虑海冰结构的随机振动作用模式,根据适用于渤海湾的随机冰力谱构造随机冰载荷时程曲线,基于半耦合的时域方法,采用SACS软件对支撑结构进行冰激振动分析,输出塔筒顶部加速度、单桩基底剪力及倾覆力矩等响应参数的时程曲线和响应功率谱;最后针对冰厚、冰速和海冰强度等海冰参数对支撑结构的冰激振动进行敏感性分析。研究结果表明,在随机振动模式下,冰载荷及结构动力响应对冰厚和海冰强度较为敏感,在进行冰激振动分析时应合理确定冰厚和海冰强度等参数。     

海上风电支腿船单桩沉桩技术

目前我国海上风电开发已经进入了规模化、商业化的发展阶段,海上风电的建设呈现由近海到远海,由浅水到深水的趋势。在响水、东台海上风电场中,均采用稳桩平台定位、起重船吊打工艺。文章结合某海上风电工程深水条件下大直径单桩沉桩施工情况,介绍自带定位抱桩器的1000t支腿起重船沉桩施工技术。     

水下挤密砂桩加固海上风电重力式基础地基研究展望

文章针对软土层厚度10m 左右下伏基岩的地层结构,从控制海上风机垂直度和经济性角度论述水下挤密砂桩加固重力式风电基础地基的优势,分析水下挤密砂桩加固黏性土及砂性土地基的机理。结合风电实例工程,依据最不利荷载组合对水下挤密砂桩复合地基承载力、稳定性和沉降进行了详细计算,并提出了保证重力式基础不均匀沉降的措施。结果表明:采用水下挤密砂桩复合地基加固软弱土层可以满足重力式基础承载力及不均匀沉降的要求。     

海上风电大直径单桩翻身钳溜尾吊装工艺优化

文章介绍了东台海上风电项目大直径单桩采用翻身钳溜尾施工技术。通过solidworks建模进行计算和现场试验实测,翻身钳和钢管桩的应力应变满足要求。翻身钳溜尾施工提高了沉桩施工效率。     

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。     

大直径单桩风机基础冰荷载模型试验研究

针对渤海某海域以单桩结构为支撑的海上风电系统,对大直径直立桩风机基础进行了一系列静冰载荷模型试验研究。首先,针对目标海域海冰调研结果确定多个冰速工况,对3 MW及4 MW装机功率对应的两种不同直径的单桩基础开展静冰载荷模型试验;随后在试验现象及试验结果的分析中重点关注了冰排在大直径结构前的破坏模式及破坏特点;最终,通过对比模型试验冰力极值试验结果与多规范冰载荷计算结果,确定大直径直立桩静冰载荷计算规范的合理选择,并根据试验结果对直立桩静冰载荷计算方法进行了经验参数修正。得出的相关结论可为渤海海域大直径单桩式风机基础冰载荷的工程估算提供参考。     

基于锚杆体系的重力式海上风电基础结构受力特性分析

文章以某风电场项目为背景,应用预应力锚杆对传统重力式海上风电基础结构进行优化,组成一种基于锚杆体系的重力式海上风电基础型式。采用ABAQUS软件对锚杆重力式基础结构进行受力分析,研究在正常工况和极端工况两种荷载条件下,结构的位移、应力变化情况以及地基的破坏形式。结果表明,预应力锚杆结构能够有效减小重力式海上风电基础在正常和极端受力工况下的水平位移、转角和沉降量,同时改变地基的破坏形式,有效提升结构的整体稳定性,该结构可为今后重力式海上风电基础的应用优化发展提供一定的参考。     

海上风电钢管桩自平衡法现场试验研究

一种新型钢管桩预装荷载箱法被研发出用于自平衡法海上风电钢管桩基检测试验,并通过现场自平衡试验研究探究了海上打入桩桩基础特性。该方法首次成功应用于海外某海上风电场直径1.4 m的超长大直径钢管桩承载力检测,用于探究其承载特性和桩侧桩端阻力发挥规律。现场试验显示,该新型检测方法达到了预期的测试效果和经济效益,与现有钢管桩自平衡法相比,对土的影响更小,可靠度更高,为类似土层和直径的超长钢管桩承载力试验提供了新的途径。     

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。     

海上风电大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能研究

文章以大连庄河临近的渤海海域为例,基于SACS模型研究大直径单桩基础结构在渤海海冰环境下的抗冰性能。研究结果表明：在静冰力方面,根据不同规范推荐公式设计的大直径单桩基础材料的用量可相差约10%;在动冰力方面,在不同冰速和冰厚的组合工况下,低冰速和大冰厚作用下的大直径单桩基础结构更易产生持续振动。     

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。     

气流喷射模拟海上浮式风电结构风机载荷实验技术初探

随着海上风电技术的快速发展,海上风电逐渐由浅海走向深海,海上风电基础结构型式将逐渐由固定式发展到漂浮式。在浮式风电结构的模型实验中,风机载荷的模拟是保证实验效果的重要因素。针对浮式风电结构模型实验中风机载荷的模拟问题,提出了一种新型的基于气流喷射、利用气流反作用力模拟风机载荷的实验方法并进行了初步验证。通过标定得到气流控制信号与反作用力的关系,将数值模拟得到的原型风机载荷时程转换为相应的控制信号,同时针对实验装置对气流变化的响应特性,对控制信号进行频域和时域修正,驱动气流喷射以模拟风机作用力和力矩。经过实验验证,载荷模拟装置产生的载荷在时域和频域上都能与模型实验所需风机载荷保持较好的一致性,证明该方法可行。     

采用两步式模型修正过程识别海上风电支撑结构的损伤

针对海上风电支撑结构损伤识别的难点,将一种新的模型修正方法应用到了三脚架式海上风电支撑结构的损伤识别中。采用数学上常用的正则化方法,解决了实测模态含噪声条件下损伤识别"病态"方程组的求解问题;结合Guyan扩阶技术,实现了基于低阶不完备模态的损伤识别。另外,为提高损伤识别精度,结合算例提出一种两步式模型修正过程:第一步,初步定位损伤位置;第二步,精确识别损伤位置和损伤程度。数值研究结果表明,采用两步式模型修正过程的方法对于海上风电支撑结构的损伤识别是有效的。     

Investigations of ice forces on a conical offshore structure

Conical shapes have been used for a long time to reduce the ice impact forces. For a major Canadian offshore lighthouse in Lake Erie, a nearly conical shape was used as early as 1857. But the actual mode of destruction of an ice sheet colliding with a conical structure is still not fully understood. The measured and theoretical values of the horizontal force calculated by the different methods have been compared. Calculations and field observations suggest that a failure mode transitional between that of crushing and flexure occurs for the steeper cone angles.     

基于南海定点观测数据的强风场特性研究

为了满足我国海洋工程抗风设计需求,在南海某海洋平台定点开展了原型测量工作。通过对海面上82 m和29 m两处开展实测工作,获得了冬季寒潮和超强台风"尤特"影响下的风场现场实测数据。利用非平稳过程分析方法对两类强风过程的脉动风分量、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风谱等风场特性进行了分析。验证了脉动风分布的高斯性,给出了湍流强度与阵风因子的非线性拟合参数,分析了不同高度处风场特性剖面变化规律,证明了脉动风实测谱与Von Karman经验谱的良好拟合关系。     

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。     

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。     

Impact of climate change on dynamic behavior of offshore wind turbine

Global warming is expected to change the wind and wave patterns at a significant level, which may lead to conditions outside current design criteria of monopile supported offshore wind turbine (OWT). This study examines the impact of climate change on the dynamic behavior and future safety of an OWT founded in clay incorporating dynamic soil–structure interaction. A statistical downscaling model is used to generate the time series of future wind speed and wave height at local level. The responses and fatigue life of OWT are estimated for present and future periods and extent of change in design is investigated at offshore location along the west coast of India. Wind speed, wave height, and wave period data are collected from the buoy deployed by Indian National Centre for Ocean Information Services and the future climate for the next 30 years is simulated using the general circulation model corresponding to Special Report on Emission Scenarios A1B scenario. The OWT is modeled as Euler–Bernoulli beam and soil–structure interaction is incorporated using nonlinear p-y springs. This study shows that changes in design of OWT are needed due to increased responses owing to the effect of climate change. Fatigue life is found to be decreased because of climate change.