海上风力机模型试验平台与技术研究及实践

海上风能资源储量丰富,促进了海上风力机的发展.随着风力机功率的增大,适用于浅海海域的固定式基础已经不再满足设计要求,适用于深海海域的浮式基础得到了快速发展.本文介绍了浮式风力机的发展过程、类型以及特殊性,指出了水池模型试验在浮式风力机的发展过程中起着不可或缺的作用.本文首先总结了缩尺模型试验的关键技术,然后以上海交通大学提出的6 MW单柱式风力机为研究对象,总结了缩尺模型的制作过程,最后介绍了上海交通大学海洋工程深水试验池的建设情况,并展示了在该试验池中进行的新型多立柱张力腿式风力机模型试验的结果.其试验结果与软件计算结果吻合较好,表明该试验池可以很好地开展浮式风力机的模型试验.本文对于后续的6 MW单柱式风力机模型试验及众多的风力机模型试验具有一定的指导作用,为我国浮式风力机的发展提供了理论依据.     

偏心支撑框架子结构实时混合仿真试验研究

实时混合仿真是一种新兴的结构抗震试验方法.建立了一套混合仿真试验系统,其中包括基于OpenSees有限元软件的数值模拟计算机,具有时滞补偿功能的目标计算机以及终端连接的电液伺服控制系统.在MATLAB中建立Simulink数值仿真模型,并提出了一种基于位移预测的自适应前馈时滞补偿器.最后,以一个单层三跨高强钢组合偏心支撑钢框架结构为原型,取边跨带有偏心支撑的单层钢框架作为试验子结构,进行了一个缩尺比例为1/2结构模型的实时混合仿真试验.试验结果表明随着模型整体响应加速度峰值的增大,控制系统的最大时滞补偿误差、最大幅值误差均有增大趋势,但均在容差允许范围之内,同时说明了该混合仿真试验系统具备良好的稳定性和精度,能够有效地对偏心支撑框架子结构结构模型进行抗震性能试验.     

新型多立柱张力腿式浮动风力机概念模型试验研究

近海深水区域蕴藏着丰富的高品质风能,海上浮动风力机是目前开发深水风能最具潜力的新装备.首先分析了开展海上浮动风力机水池模型试验时需要考虑的相似准则,并根据其受力情况综合选取了合适的相似准则.采用基于风轮推力相似而优化设计的模型叶片建立了一套风力机模型,有效解决浮式风力机模型试验中的"尺度效应"问题.本文对所提出的新型多立柱张力腿式浮动风力机概念(WindStar Tension Leg Platform System,WindStar TLP System)进行了水池模型试验研究,模型试验缩尺比为150.试验中测定了其空气动力、水动力和结构动力特性,得到了其在不同环境条件下的运动响应和总体性能.模型试验结果可为该新型多立柱张力腿式浮动风力机概念的进一步研究提供参考依据.     

极限海况下6 MW单柱型浮式风力机耦合动力响应

为了实现单柱型浮式风力机在中等深度海域的实际规模应用,以新型6 MW单柱型浮式风力机为研究对象,在极限海况下对风力机的生存能力进行模型试验和数值模拟.模型试验采用缩尺比为1∶65.3的模型在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行,得到风力机的六自由度运动响应、锚泊系统的受力情况以及危险受力点的受力情况.通过数值模拟软件对风力机的时域耦合运动响应进行了仿真计算.对数值模拟和模型试验的数据进行时域和频域分析,结果表明:数值模拟与模型试验结果最大偏差小于12%,吻合良好;风力机运功响应的能量主要集中在低频和波浪频率处;整个浮式风力机系统在极限海况下可可靠生存.通过数据分析对风力机的载荷极限状态进行了预报,为结构强度计算提供必要的理论依据和计算参数.     

基于BP神经网络的离线迭代混合试验方法研究

利用反向传播(误差逆传播算法back propagation algorithm,BP简称反向传播算法)神经网络对非线性结构位移-力系统进行拟合,将训练好神经网络作为试验子结构与数值子结构联合求解,省去了混合试验中试验子结构与数值子结构之间的实时数据交互,并通过迭代训练样本的方法不断逼近真实响应,克服了神经网络需要大量训练样本的问题。通过对两个自由度的非线性结构进行混合试验数值仿真,验证了该方法的可行性。以实际工程的一榀框架为混合试验对象,取一个隔震垫作为试验子结构进行数值仿真,进一步验证了该方法的有效性。     

Rosenbrock耦合积分方法及其收敛性分析

做为一种集计算机模拟和现场试验为一体的混合试验方法,实时子结构试验的关键在于如何保证数值子结构和试验子结构的实时耦联,这就需要高效的数值积分方法.文中在Rosenbrock实时积分方法的基础上,提出了一种具有完全并行计算格式的耦合积分方法.基于单自由度分离质量模型,对该耦合积分方法的稳定性和精度进行了理论分析.然后通过三自由度分离质量模型的模拟,验证了该方法的收敛性和其他算法性能.理论分析和数值模拟结果表明,该方法具有良好的稳定性和二阶精度,与直接积分方法相比更适合用于复杂结构的实时子结构试验及类似的并行模拟.     

基于OpenSees的子结构拟动力试验方法研究

研究了以有限元软件OpenSees为核心计算平台的子结构拟动力试验方法,主要探讨了在OpenSees中实现子结构反应量实时查询、子结构边界条件处理,以及利用OpenSees的通信协议实现试验子结构和整体结构时程分析程序之间位移指令和反馈力的数据交换方法.利用本文方法进行了8层防屈曲支撑高层钢框架的虚拟子结构拟动力试验,试验结果与采用OpenSees进行整体时程分析的结果吻合良好,证明了本文子结构拟动力试验方法的可行性与有效性.     

设备-高层结构-地基土体系交互计算方法

提出了模拟设备-高层结构-地基土体系振动台实时子结构试验的数值交互计算方法,并且结合地基土在强震作用下并非全部进入非线性的特点,认为可尝试将具有局部非线性特点的地基土模型作为数值子结构、设备-高层结构体系作为试验子结构,从而在振动台实时子结构试验中考虑地基土非线性特性影响。采用分支模态子结构法与线性-非线性混合约束模态子结构法推导了设备-高层结构-局部非线性地基土体系的运动方程。选用一幢13层钢框架设备-高层结构-地基土体系模型作为分析实例,采用MATLAB与ANSYS分别建立设备-高层结构体系与局部非线性地基土计算模型,两者之间进行数值交互计算,发现土-结构相互作用与设备的频率变化对设备与结构的地震反应有重要的影响。     

储液罐子结构数值仿真分析

由于有限元仿真需要假设材料性能,难以真实全面的反映储液罐的地震响应;而振动台试验只能完成较小比例的模型试验,与储罐原型差距很大。为此,提出了储液罐子结构振动台试验方法。采用Malhotra力学模型,将储液罐划分为试验子结构(罐底和土体)和数值子结构(储罐和液体)两部分。试验子结构放在地震模拟振动台上进行试验研究,数值子结构部分由计算机进行模拟。仿真计算表明:储液罐子结构仿真结果与全结构的非常吻合,仿真计算的储罐基底剪力与规范算法接近。     

子结构拟动力试验边界条件模拟方法

针对框架结构体系研究了基于有限元软件OpenSEES的子结构拟动力试验方法.以单层单跨钢框架为例进行了3种不同边界条件模拟方案下的子结构拟动力试验,其中严格边界条件下的试验结果与整体结构时程分析结果完全吻合,表明了该方法的正确性.在此基础上,针对单层、5层与8层3个四跨钢筋混凝土框架,采用杆系模型进行3种不同边界条件模拟方案下的子结构拟动力试验.试验结果表明,仅考虑水平位移边界条件时对试验子结构柱的滞回曲线模拟误差较大,同时考虑水平位移与转角边界条件则能很好地模拟试验子结构柱的滞回曲线.各种简化边界条件对基底剪力影响较小,而对底层水平位移的影响则基本可以忽略.研究结果可以为子结构拟动力试验方案设计提供参考.