考虑流固耦合的近海风机动力响应数值计算

研究了固定式海上风机的流固耦合问题.选取美国可再生能源实验室(NREL)建立的5 MW海上单桩式风机模型,采用Kaimal谱和风剪切指数理论模型,通过NREL编写的程序—TurbSim,生成脉动风场,进而使用气弹程序FAST计算风力机的气动荷载,输出包括剪力和弯矩在内的塔顶荷载时程.选取Pierson-Moskowits波浪谱,并利用谐波叠加法模拟随机波浪.采用Morison公式计算波浪力,分别建立了海上风机塔架考虑与不考虑流固耦合效应时的动力方程及数值模拟方法,并对比分析了这两种情况下的波浪力和结构响应的差异.结果表明,两种情况下计算得到的波浪力和风机响应有明显差异,并且这种差别跟风浪大小等因素有关.     

典型塔式起重机塔架结构风致动力响应与疲劳分析

将谐波叠加法与自回归法相结合,构建了新型风时程混合模拟方法,数值模拟三维风速时程,并转为风荷载时程;针对典型塔式起重机塔式结构,建立参数化力学模型.基于Newmark-β方法进行结构风致动力响应分析.基于结构关键点的应力-时间历程并引入S-N曲线法,分析塔架结构的疲劳损伤效应.研究发现,塔架结构节点的风致位移响应、速度响应和加速度响应均较稳定且风致位移响应具有周期性特征,塔臂两端部和塔顶的风致位移和疲劳损伤较大.研究成果可为此类塔架结构的抗风设计提供技术支撑.     

基于状态空间理论的工程结构地震时程响应分析

基于状态空间理论分析与计算工程结构地震时程响应问题,根据结构动力学方程,引入结构系统的状态变量,建立结构地震时程响应分析的状态方程,并给出非齐次状态方程的解.为了求解矩阵指数函数,着重介绍了凯莱-哈密尔顿(Kaley-Hamilton)法、状态空间迭代法和精细积分法.对结构动力时程响应问题按这三种解法分别建立了计算格式,并编制相应计算程序.最后,给出若干数值算例,其计算结果表明,状态空间法分析计算结构动力时程响应,其精度好,效率高,是一种非常有效的方法.     

海上风力机随机风场模拟及风振响应分析

为研究海上风力机的风振特性,进行风力发电塔-轮系统的随机风场模拟和风振动力响应计算。采用谐波叠加法模拟塔架和风轮的来流风速时程,进而基于改进的叶素-动量理论(MBEM)模拟考虑风轮和塔架相干效应、风轮旋转效应的风轮脉动风速时程。结合已提出的柔性结构风振精细化频域计算方法"一致耦合法",对海上风力发电系统结构进行风振动力响应和风振系数计算。研究结果表明:海上风力发电塔-轮系统的风振动力响应以共振效应为主,但背景响应和耦合项不能忽略,风振呈现多模态耦合和多振型响应2个显著特征;系统风振系数的分布差异较大,其中风轮尖部最大(2.35),塔架中下部位最小(1.40)。     

中空钢管混凝土风力机塔架静动力特性研究

为了探索风力机塔架的新型结构形式,提出了中空钢管混凝土塔架技术,应用静动力数值计算验证其合理性和可靠性,建立了1.5MW的中空钢管混凝土新型风力机塔架的有限元模型,考虑不同的荷载工况,对该新型塔架和传统钢塔架进行静力和模态分析,比较了两者的计算结果,分析表明:该新型塔架具有良好的结构性能,塔架的侧移和应力有明显改善,可为该类塔架的结构设计提供参考.     

预应力钢筋混凝土风力发电塔架的地震响应分析

随着风力发电机向海上风力发电和单机大容量的趋势发展,预应力钢筋混凝土塔架将有更广阔的前景.为此,以功率2 Mw的大型风力发电塔架为例,参考日本土木学会的风力发电塔架结构设计指南,提出了一种预应力钢筋混凝土塔架的设计方案,建立了结构计算模型,对其动力性能进行了研究,并做了地震响应分析.采用EL Centro实测地震波,对预应力钢筋混凝土塔架结构的有限元模型进行了仿真计算,并将时程分析结果与按设计指南提出的地震反应谱方法得出的设计值进行了比较分析;讨论了安全检查用工作洞口的设置对塔架结构抗震性能的影响;研究了不同的地震波入射角时塔架结构的地震响应,对该结构的抗震性能进行了详细的分析.结果表明,所提出的预应力钢筋混凝土结构形式不仅可以避免由叶轮脉动激励的共振响应,且具有较好的抗震性能,工作洞口的设置并不影响其抗震性能.研究结果将为预应力钢筋混凝土塔架的设计提供重要的理论依据.     

脉动风作用下塔架结构的风振响应分析

 简述了应用线性滤波法中的自回归模型(AR)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证其与目标谱(Davenport谱)的一致性,再通过规范公式推导脉动风载与风速之间的关系,从而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本。以某42m高的通信塔架为原型进行了模拟计算分析,用有限元分析软件ANSYS建立其有限元模型,并用Matlab获取了塔架迎风面各节点上的风荷载时程信号作为动力输入。利用ANSYS对结构进行了模态分析,结果显示结构的前几阶振动均是平面振动,第3阶振动开始出现扭转模态和局部振动模态;同时,基于ANSYS时程分析方法计算了结构在脉动风载作用下的风振响应。结果表明,在仅考虑脉动风作用的情况下,本塔架结构顶部的水平位移低于规范规定的位移限值,但塔架截面变化拐点处的弦杆在风载作用过程中会产生较大应力,在塔架设计中予以注意。     

基础隔震框架结构动力时程分析的精细积分法

为了求得基础隔震框架结构抗震性能的高精度数值解,基于层剪切模型建立了结构的动力方程。引入对偶变量,导出动力时程分析的哈密顿正则方程,应用初值问题的精细积分法求得数值解;最后应用MATLAB语言编制程序对一应用橡胶垫基础的6层框架结构进行多遇地震作用下的动力时程分析。计算结果表明,在相同的地震波作用下,相对于传统抗震结构,基础隔震结构的层间位移减少了60%,速度和加速度减少了30%,顶层最大位移减少了15%。由此可见,基础隔震结构具有优良的抗震性能。该方法是求解基础隔震框架结构动力时程分析的新方法,计算数据精度高、可靠性好。     

浅探Matlab在结构动力时程分析中应用

针对多自由度结构动力时程分析过程中处理大量矩阵数据及矩阵方程的数值求解的特点,编制动力时程分析的Matlab函数进行多自由度结构动力分析,并以三层钢筋混凝土结构为工程算例,应用基于Matlab的时程分析法进行结构的时程分析计算,实例验证操作简洁,准确直观.     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.     

连接件变形对时程分析结果的影响

本文指出了不计连接件变形和考虑连接件变形两种情况下设置粘弹性单元结构的动力方程的差异,分析了这种差异对于时程分析最终结果的影响.文中对比了典型结构在两种情况下的计算结果,从对比结果可以看出,粘弹性单元中连接件变形对于时程分析的计算结果影响还是比较明显的.     

基于时域法的不同塔架风力机抗台风分析

为探讨不同塔架形式风力机的抗台风性能,基于Abaqus有限元软件建立4种不同塔架形式的风力机一体化模型,用自回归(AR)法对脉动风时程进行模拟,分别进行了模态分析和台风时程分析.结果表明,风轮和机舱对风力机自振频率的影响较大;钢筋混凝土锥筒塔架的最大顺风向位移随台风风速的增加呈平缓线性增加趋势,而其他3种塔架的位移随风速的增加表现为非线性增加.钢管格构式塔架为轻型柔性结构,其风载响应最为显著,钢锥筒塔架次之,而钢筋混凝土塔架因具有较大的自重和刚度,其位移响应最小,抗风性能较好.     

大型风力机塔架在脉动风下的动力响应特性研究

采用Kaimal脉动风功率谱,考虑脉动风的空间相关性,采用AR模型模拟风电场脉动风速时程,并验证脉动风速谱与目标谱的一致性;通过有限元方法计算风力机塔架结构在风载荷作用下的动力响应特性。计算结果表明:AR模型对实际风场风速进行有效模拟,考虑脉动风的影响,塔架的风振响应显著增加;随着风速的增加,塔架的振动也随之增加,这为风力机塔架的风致响应分析和抗风研究提供了实用方法。     

短肢剪力墙状态空间时程分析

根据结构动力方程建立了短肢剪力墙状态空间方程,推导了动力时程计算方法,采用了精度较高2N类算法.根据本文的理论编制了分析程序进行了算例分析,得出了比较理想的结果,说明了本文方法的正确性和可行性.     

带转动弹簧的杆单元平面钢结构弹塑性时程分析

用两端带转动弹簧的杆单元代替一般的杆单元,提出了一种新的平面杆系钢结构动力弹塑性时程分析计算模型.根据梁柱半刚性连接的力学模型,提出了该类型连接在地震荷载作用下的恢复力模型.采用虚功原理,通过对单元转角 - 位移方程的修正,推导了这种计算模型的单元质量矩阵和刚度矩阵.采用Wilson - 数值积分算法,进行了结构弹塑性时程分析计算,并编制了相应的分析计算程序.用此程序分析了连接的半刚性在罕遇地震作用下对钢框架结构动力性能的影响,并与有限元结果进行了比较.算例结果表明:连接的半刚性对结构动力性能的影响非常大,设计中应该考虑连接的半刚性影响.     

设置粘弹性阻尼器的结构地震反应时程分析的几个问题

本文分析了一般结构和设置粘弹性阻尼器的结构非线性地震反应的动力方程 ,指出了两种动力方程形式上的差异和时程分析过程方面的差异 ,并对设置粘弹性阻尼器的结构非线性地震反应时程分析的一些特殊问题提出了处理办法     

风力发电塔架脉动风速时程模拟及其受力分析

简述了应用谐波合成法中的自回归模型(AR)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证了其与目标谱(Davenport谱)的一致性,进而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本的方法.本文采用线性滤波法,建立了脉动风速时程的AR模型,编辑出脉动风速时程模拟程序,对某风力发电塔架进行脉动时程分析,验证了该脉动风速时程模拟的可行性与有效性,并根据所模拟的脉动风对风电塔架进行了受力分析,分别对气动推力与脉动风对塔架顶部位移所产生的影响以及其筒体应力分布规律与大小进行了研究.     

自然弯扭梁动力分析的精细积分法

以空间曲梁理论为基础,对一般横截面形状自然弯扭梁的振动特性进行了研究,包括横向剪切变形、转动惯量以及和扭转有关的翘曲的影响.应用差分法对空间坐标进行离散,把控制方程化为关于时间的常微分方程组,通过求解得到该梁的固有频率.在分析简谐激励作用下结构的动力响应时,对精细时程积分法中的向量积分采用Newton-Cotes公式,避免了矩阵求逆的困难.两端固支曲梁的固有频率以及强迫振动时的位移时程曲线的计算结果表明,数值解和有限元结果非常接近;两端固支圆截面螺旋弹簧固有频率的计算结果同样表明,数值解和相关文献的结果吻合得很好.     

流固耦合系统动力响应分析的精细时程积分法

通过对结构与理想流体耦合问题的分析 ,利用有限元方法对流固耦合系统动力响应进行了研究 .采用精细时程积分法、威尔逊θ法和纽马克法进行计算 .算例表明 ,精细时程积分方法具有精度高、不受时间步长的严格限制和计算工作量小等优点 ,适合于流固耦合系统的动力响应分析     

大比例缩尺模型振动台试验及有限元分析

为研究复杂结构的抗震性能,进行了一幢钢框架-支撑结构体系1/20缩尺模型的地震振动台试验,试验测试了模型结构的动力性能和结构地震反应.同时,利用ANSYS软件建立了有限元分析模型,并对试验模型结构进行了动力弹塑性时程分析,就模型的频率、位移反应和应变反应进行了对比,计算结果和试验结果吻合较好,验证了有限元模型的可靠性.