全风向来流非高斯风场风机疲劳寿命可靠性分析

在Hermite矩模型基础上,根据Kaimal谱生成某典型风机结构正常风速条件下,三种不同概率特性风场(高斯、非高斯硬化和软化),在考虑来流风向和平均风速联合概率密度条件下,以塔架基础连接处为例,对风机进行疲劳寿命可靠性分析.由叶片的气动模型和多体动力,计算出风机的动力响应,并对响应的时域和频域特性进行分析.基于线性损伤累积理论和Paris公式,对来流全风向条件下的裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命进行了详细讨论.结果表明,裂纹形成寿命对风荷载的非高斯性较为敏感,而裂纹扩展寿命对风荷载的非高斯性并不敏感,需要考虑风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响.此外,在考虑全风向来流条件下,疲劳裂纹形成和扩展阶段的失效位置相同,均在主导风向上.     

平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究

研究了浮式平台的运动响应对风机气动性能影响.利用动量叶素理论及变速变桨比例积分微分（PID）控制技术,考虑了低于额定风速、额定风速、高于额定风速3种工况,对NREL 5MW水平轴风机随浮式平台运动的气动性能进行了模拟和分析.仿真结果表明：浮式平台的运动使风轮产生了与遭遇波浪同频的周期性载荷,同时浮式平台的运动响应幅值越大,低于额定风速时的平均功率越高,且额定风速时的平均功率越低,而高于额定风速时的平均功率基本不变.     

考虑气动阻尼的浮式风机频域响应分析

分析了气动阻尼对浮式风机频域响应的影响.选取美国可再生能源实验室(NREL)提出的5兆瓦(MW)浮式风机模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于三维势流理论计算浮式平台的水动力系数,并将系泊系统视为线性弹簧以考虑其刚度,最后在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式风机刚体运动方程.利用求解频域方程得到的幅频响应算子(response amplitude operators,RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式风机刚体运动的影响.结果表明:作业工况下气动阻尼能有效地降低纵荡和纵摇运动RAOs的峰值,且能在一定范围内减小对应自由度上响应谱的幅值和零阶矩.     

新型海上风机浮式平台运动的频域分析

以5,MW 风机为模型,概念性地设计了一种新型海上风机浮式平台。基于三维势流理论和 Morison 经验公式,利用 HydroD 软件计算了浮式平台的水动力系数;根据悬链线理论,编程计算了系泊系统提供的回复刚度;考虑风机与平台、系泊系统与平台之间的耦合以及黏性阻尼的影响,在频域范围内编程计算了风机系统的运动响应,得到新型浮式平台的幅频响应曲线,并在此基础上研究了波浪入射角、水深等因素对浮式平台运动的影响。结果显示,在波浪角为0°时运动响应最大,且浮式平台更适用于较大水深。     

环境参数对风电齿轮箱传动系统疲劳损伤的影响

在风电机组全寿命周期内,长期风速概率分布会使风电齿轮箱传动系统动载荷出现随机特性,影响其疲劳损伤预估精度。笔者提出了一种考虑长期风速概率分布特征的风电齿轮箱传动系统疲劳损伤预估方法,通过建立大功率海上风电机组OpenFAST-SIMPACK联合仿真模型,计算不同平均风速与湍流强度组合工况下的风电齿轮箱传动系统齿轮短期疲劳损伤,进而采用代理模型技术重构“平均风速、湍流强度-短期疲劳损伤”映射关系,预测齿轮长期疲劳损伤。研究结果表明：风电齿轮箱传动系统低速级太阳轮容易发生接触疲劳失效;在额定风速以下,低速级太阳轮短期疲劳损伤与平均风速呈正相关,在额定风速附近,平均风速与湍流强度的随机特性均会增大其长期疲劳损伤不确定性,增大其疲劳失效风险。     

高速湍流风下漂浮式风力机系泊失效动态响应研究

以Barge平台5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论、势流理论及有限元法建立平台气动−水动−系泊动力学模型,考虑风浪同向入射的最恶劣情况下的系泊失效,此时漂浮式风力机承受风浪载荷最大,系泊最易因疲劳及冲击载荷发生失效,对比分析高速湍流风与稳态风作用下不同位置系泊失效前后平台动态响应及系泊张力。结果表明,迎风浪侧系泊失效对多个自由度响应有显著影响,背风浪侧系泊失效主要影响纵荡、纵摇和艏摇响应,在高速湍流风作用下,平台瞬态响应加剧,横荡方向的漂移距离增加,纵荡波动幅值提高,迎风浪侧系泊张力最大值及平均值明显增大,且越靠近迎风浪侧系泊平均张力越大。因此,出于安全性考虑,平台系泊设计应考虑高速湍流风的影响。     

海上风电机组DeepCWind平台系泊缆布置及断裂仿真分析

以NREL 5 MW风电机组和OC4-DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA水动力分析软件和OPENFAST仿真分析软件进行风电机组气动、水动和系泊系统的时域耦合运动分析,研究不同系泊缆数量、角度布置形式及系泊缆断裂等因素对浮式风电机组动态响应和系泊缆张力的影响。结果表明：增大系泊缆的布置角度可提高浮式风电机组平台的稳定性,但同时增大了系泊缆张力,导致安全系数降低;迎浪侧系泊缆断裂瞬态情况下,浮式平台产生明显的运动响应波动,系泊缆布置角度的增大使浮式平台的稳定性急剧降低。     

半潜式海上浮式风力机平台随机响应特性分析

为了研究风力机平台的运动特性,利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和莫里森方程计算平台水动力,采用准静态悬链线理论模拟系泊系统,利用海洋工程工具SESAM软件建立了完整高效的风力机系统数值模型.针对自主设计的半潜式海上浮式风力机基础进行了水动力分析,数值分析结果与实验值符合较好.通过系统运动响应的统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响.研究结果表明:该系统数值模型时效性较好,可真实反映浮式风力机平台的运动特性,风力机载荷在大幅增加平台的纵摇和纵荡响应的同时会对纵荡和系泊载荷频谱产生最直接的主导性影响.     

移动及冲击荷载作用下浮式平台的动力响应分析

以福建南平樟湖库区大桥的浮式平台为背景,采用ANSYS建立浮式平台的有限元模型并且引用水弹簧理论,计算其在移动及冲击荷载作用下的动力响应.结果表明:浮式平台在移动荷载作用下考虑与不考虑附加水质量和水动力阻尼时,其动力响应并不明显;而在冲击荷载作用下,浮式平台考虑与不考虑附加水质量和水动力阻尼时则有较大区别.考虑水动力阻尼时位移、加速度响应衰减得快;不考虑水动阻尼时浮式平台固有频率增大,周期峰值逐渐衰减.     

东海某风场4 MW风机塔筒结构疲劳特性

海上风机塔筒长期受到风荷载等外部动力荷载作用,其应力响应相当不规则,容易发生疲劳破坏。由于每个风速工况出现的概率不同,而且塔筒在各工况下的响应也存在差异,因此有必要划分风速工况来编制疲劳应力谱。本文以东海某海上风电项目为例,建立塔筒结构三维精细化有限元模型,结合风速威布尔分布模型、雨流计数法和线性疲劳累积损伤法则,采用名义应力法计算塔筒的疲劳寿命,并与简化塔筒模型的计算结果进行对比分析,以期为风力机结构疲劳研究提供思路和参考。计算结果表明：通过划分风速工况来编制疲劳应力谱的方法是可行的;塔筒结构容易发生疲劳破坏的部位在塔筒中下部筒节之间的连接处及附近;在分析塔筒疲劳特性时采用壁厚随高度均匀变化的简化塔筒模型与精细化模型结果相差较大,会带来较大误差,因此建议建立精细化模型以合理预估风机塔筒疲劳寿命。     

半潜式浮式风机平台绕流力学特性与尾流分析

柱体绕流是海洋工程领域的重要问题.流体绕经海洋平台所产生的周期性涡脱会造成平台往复运动,这将加剧平台系泊结构疲劳损伤,降低结构疲劳寿命.为研究多柱式浮式风机平台绕流的力学特性,厘清尾流之间的干扰机理,采用Delayed Detached Eddy Simulation(DDES)方法分析了半潜式浮式风机平台在不同来流角和流速下的力学特性,从相干结构层面研究了尾流干扰机理,并分析了立柱尾流之间的空间相关性.结果表明:下游立柱的阻力系数平均值随流速变化而有较大波动;流场相干结构以流向涡和发夹涡为主;相干结构之间的相互作用是导致尾流干扰的原因;上下游立柱尾流具有不同的相干结构,但两者仍有较强的空间相关性.研究结果可为深入理解多柱式海洋平台绕流现象提供理论参考.     

超期服务浮式平台锚链疲劳寿命安全评估

基于线性累积损伤Miner理论,根据波频和低频波浪力引起的锚链张力统计幅值及锚链损伤后的破断张力,对某超期服务的半潜浮式平台锚链系统的疲劳寿命进行安全评估.研究结果表明：二阶慢漂是引起浮式平台锚链系统疲劳累积损伤的主要因素;锚链损伤后的破断张力对锚链疲劳安全寿命影响较大.文中提出的锚链疲劳寿命的评估方法同样适用于其他超期服务浮式平台锚链的疲劳安全评估.     

输电线风致响应的时频域特性风洞试验研究

通过单跨输电线气弹模型风洞试验，研究了单导线和4分裂导线的风振位移谱、气动力谱、气动阻尼比及风振系数特性，探讨了风速、导线分裂数及湍流度的影响. 结果表明：导线风振中多模态参与较为显著，其模态频率随风速增加而非线性增大，且高湍流时模态频率的增幅更明显. 导线响应谱能量随湍流度和导线分裂数的增加而增大，且多分裂导线和高湍流会使导线的振动能量向低频偏移. 导线气动力总响应中背景分量的占比整体随风速、湍流度的增加而增大，随分裂数的增加而减小. 导线气动阻尼比随风速和湍流度增加而变化的趋势不明显，其一阶模态气动阻尼比约为无风状态阻尼比的5~9倍，约为二阶模态气动阻尼比的2倍. 导线位移风振系数明显低于阻力风振系数，且两类风振系数整体随湍流度增加而增大.     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

锚链动态效应对海上浮式风力机整体系统动响应的影响

建立了海上浮式风力机包括弹性叶片、塔架以及SPAR浮体和悬链线式系泊线的整体系统动力模型,并基于改进的三维动态悬链线理论和有限元进行了5MW大型风力机的动响应数值模拟和分析;与以往的准静态方法和简化模型不同,本文考虑了系泊系统的动态特性(例如惯性力和阻尼力)、以及大尺寸柔性部件叶片、塔架等的弹性动力,分析了在波浪载荷下的风力机系统动响应.给出了悬链线式系泊线上的惯性载荷与黏性水动阻力等动态效应对系泊张力及其运动特性的影响,通过与仅考虑静态回复力的准静态法结果对比,分析了系泊系统动态特性对风力机结构响应的影响.我们的数值结果表明:考虑系泊线的动态特性,其动张力会明显增大,系泊线松弛-张紧的冲击张力幅值差可达到准静态值的10倍以上.当波浪频率远高于系统频率时,系泊系统的动态效应会加速结构瞬态项的衰减,而波浪频率与系统频率接近时,系泊系统的动态特性能明显降低浮体的响应位移,幅值降低约20%.     

新型浮式系泊系统靠泊动力响应分析

以新型浮式系泊系统为研究对象,通过1∶40的模型试验首先分析无波浪作用下船舶排水量和船速等因素对浮体系泊系统靠泊动力响应的影响,并将浮式系泊系统的靠泊试验结果与相同工况下刚性靠泊试验结果进行对比分析,然后对典型海况（波高2,m,周期6,s,入射角90°的波浪）作用下的新型浮式系泊系统进行靠泊分析,得到其在不同靠泊速度下的动力响应.试验结果表明,相对于刚性靠泊,浮式靠泊的靠泊力小,吸收的能量更大.船速和船舶排水量是影响靠泊动力响应的主要因素,船速和排水量的增大将会大大增加护舷撞击力,并使浮式系（靠）泊平台产生较大的位移.由于偏心的影响,船艏首先系（靠）泊,能量大部分被船艏靠泊平台所吸收,船艉系（靠）泊平台吸能比例很小,尤其当初始靠泊能量较小时,两平台吸能差异更明显.随着船速和船舶排水量增大,船艏和船艉靠泊的时间间隔越小,两系（靠）泊平台位移及护舷撞击合力的差距也越小,船艉系（靠）泊平台吸能比例逐渐增大.     

钢天线风致疲劳研究

基于一钢质天线气动弹性模型风洞试验结果,研究了其风致疲劳．首先,根据当地气象站资料统计的风速风向联合概率分布函数求得天线结构所在位置处的风速风向联合概率分布函数,并以结构假定的疲劳寿命为最大风速重现期来计算每个风向区间要考虑的最大风速．其次,对天线结构的气动弹性模型进行风洞试验,测得天线结构在不同风向角、不同风速下的加速度响应,根据试验获得的结构响应,求得疲劳分析关键点处的应力响应功率谱．最后,基于疲劳累积损伤理论在频域上用等效窄带方法计算天线结构的疲劳寿命,结果表明,这一实际结构的风振疲劳寿命接近主楼结构的设计寿命．     

锚泊浮式结构波浪上运动的频域算法

介绍一种计算系泊浮式海洋结构在波浪上运动响应的方法,与一般现有的系泊结构动力计算方法不同,它是应用频域法考虑了系泊系统与结构运动间的动力耦合,特别是应用二阶摄动方程,解出系泊浮式结构系统的二阶慢荡运动。该方法能正确地确定慢漂运动、低频锚链力等在工程设计中感兴趣的数据,适用于油轮、半潜平台、转塔式FPSO以及张力腿平台等各种型式的浮式结构和系泊方式。程序的计算结果经过了大量的与相应模型试验结果的校核。表明所给出的结果可靠。     

漂浮式海上风电机组动力学仿真分析

通过计算机仿真技术,分析深海漂浮式风力发电机组的动力学特性.首先分别建立海上浮式平台的水动力学模型和基于动态入流理论的风轮空气动力学数值模型,然后将其施加到由“风轮-机舱-塔筒-系泊系统”组成的多柔体系统动力学模型上,并由Fortran语言编程计算,将分析模型和结果导入到ADAMS进行可视化及后处理,最后,以美国NREL基本型5MW风电机组数据为基础,对漂浮式风力机系统和近海的定桩式风力机系统进行动力学分析对比,研究结果表明:漂浮式海上风电机组在运行过程中,其浮式平台承受水动力而产生摇荡运动,气动载荷与水动力相互耦合对整机结构动力响应及功率波动有着明显影响.