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.     

高层建筑气动弹性模型风洞试验研究

以高层建筑为研究背景,制作了气动弹性模型,通过风洞试验测得结构的时程响应结果,采用频谱分析求得结构的动力特性,采用自然激励技术法(NExT)和ARMA模型时序法以及改变模态阶数的方法获得结构的气动阻尼比,研究了结构气动阻尼比随风速的变化规律.在强风下,对顺风向的加速度响应时程结合滤波方法,消除横风向能量转移的影响,同时发现了涡激共振现象.考虑气动阻尼影响的情况下,刚体模型测压和测力得到的峰值加速度响应结果,与气动弹性模型风洞试验结果十分接近,验证气动弹性模型风洞试验结果的正确性.对于刚体模型,不考虑气动阻尼时,峰值加速度比气动弹性模型试验结果大很多,差值最大达到41%,但在某种工况下,气动阻尼的影响使结构的响应值增大,验证了考虑气动耦合作用在高层抗风研究中的必要性.     

淹没深度对离心式叶轮模态参数的影响

离心式叶轮结构振动及其幅值受周围水体附加质量和阻尼的影响.为了明确不同淹没深度对离心式叶轮动力响应特性的影响,开展了数值计算和实验研究.基于声固耦合方法,开展了空气和不同淹没深度条件下叶轮的模态分析;通过锤击法获得了在空气和不同淹没深度条件下的叶轮结构响应参数,并评价了固有频率的数值预测精度;根据数值计算和实验结果,构建了结构振型、附加质量参数和阻尼参数随淹没深度的变化规律.结果表明:随着淹没深度增大,结构振型未发生改变;但叶轮附加质量系数和阻尼比都呈线性增长趋势;完全淹没时,水体附加质量及阻尼比分别为空气中的0.39倍和1.76倍.      

输电塔气弹模型气动阻尼试验

为研究气动阻尼对输电塔的风致效应影响,设计了1:40的输电塔气弹模型,分别在B类地貌风场和台风风场中开展了气弹模型的风洞试验,获得了单塔与塔线体系下的风致加速度响应时程数据。综合采用EMD分解、HHT变换与RDT法,识别了输电塔线结构的动力特性与气动阻尼。研究结果表明,该方法能较好地识别结构的动力特性;两类风场下气动阻尼随风速的提高而增大,气动阻尼亦随来流湍流的增大而增大;挂线后结构模态频率降低,气动阻尼与总阻尼增大。     

考虑土―结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析

针对某陆上风电场1.5 MW风电塔结构,建立了"塔筒―基础―地基"整体三维精细有限元模型,研究土―结构相互作用对风机运转状态下风电塔结构地震动力响应的影响规律.在风机运转状态下,使用FAST程序把风速时程转化为风荷载时程输入模型,并使用EERA程序进行土层地震反应分析得到模型土层底部的地震波,作为地震激励进行输入,对风电塔进行模态分析并计算风电塔地震动力响应.研究表明,考虑土―结构相互作用效应会引起风电塔体系自振频率降低,并显著增加风电塔的结构动力响应.     

基于复阻尼模型的改进时域计算方法

针对复阻尼运动方程自由振动解中存在发散项,导致其不可计算结构自由振动响应,同时基于复阻尼模型的时域计算结果不能稳定收敛的问题,在复阻尼模型的基础上,利用时频域转换得到改进时域运动方程;引入地震加速度在时间步长内是线性变化的假定,利用改进时域运动方程的特点,提出地震作用下基于复阻尼模型的改进时域计算方法.算例分析表明:相比复阻尼模型的时域运动方程,改进的时域方程可适用于结构自由振动响应的时域计算,且计算得到的地震作用下结构动力响应是稳定收敛的;相比基于改进时域运动方程的傅里叶级数法,本文提出的改进时域计算方法计算量更少,计算效率更高.随着阻尼比的增大,复阻尼模型的改进时域方法和黏性阻尼模型的时域方法计算结果差异逐渐增大.当结构阻尼比为0.5时,在部分地震波作用下两种方法计算得到的加速度峰值相对误差可达到20%以上.     

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.     

基于波导理论与ATP-EMTP对雷击风机系统仿真及防护

风机雷电过电压防护是风机安全运行的重要保障。为了研究风机因遭受雷电过电压损坏的规律,通过分析雷电电磁波导理论与风机内部运行结构,建立塔筒(门)空腔试验缩比模型与风机线网结构雷电过电压分布仿真模型。基于实验室测试与ATP-EMTP软件仿真计算,采取相对偏差计算方法对部分结果进行验证,进而分析雷击风机系统的影响。研究结果表明:雷电电磁脉冲在塔筒(门)空腔导线中可产生峰值约为数百伏阻尼震荡损害波,风机塔筒门的接口部分需进行较好的密封屏蔽;风机雷电过电压系统仿真中,不同部位形成的雷电电压波峰值间具有较大的倍数差。可根据各部位RLC值的变化安装适配SPD;风机雷电过电压系统仿真中,参考点峰值电压值随着接地电阻值增大而增大,越靠近风机塔筒基础部分,电压峰值变化越明显。从1～10Ω改变接地电阻值,并不能有效改善塔筒以上部分过电压峰值。研究结果可为进一步系统研究雷击风机与雷击风机附近对风机造成的侵害特性提供依据。     

流固单向耦合的能量法及机翼颤振预测

为准确预测机翼颤振边界,发展了一种基于流固单向耦合的能量方法。首先,为考虑机翼振动对流场的影响,采用课题组所发展的快速动网格技术更新流场网格;然后,在更新后的网格上采用SIMPLE算法求解基于任意欧拉拉格朗日格式的雷诺时均纳维斯托克斯方程,计算出流场压力。通过机翼表面压力计算机翼的气动力,进而计算机翼的气动功,将气动阻尼等效为黏性阻尼,通过等效黏性阻尼公式计算得到机翼振动的气动阻尼;最后,通过气动阻尼来判断机翼的颤振边界。采用所提能量方法对wing 445.6的气动阻尼进行了分析,并计算了其无因次颤振流速,计算得到的无因次颤振流速与实验值的相对偏差大约为1.5%。研究发现,在跨声速条件下wing445.6的气动阻尼随着模态阶数的增加逐渐增加。通过分析机翼表面气动功的分布发现,在跨声速流动中机翼附近流场的激波是产生正气动功的主要原因,也就是说机翼跨声速颤振主要是由激波引起的。     

行人动力学参数对大跨简支人行桥人致振动的影响分析

为研究行人动力学参数对大跨结构人致振动的影响,采用等效人体模型参数识别试验研究了人体模型的自振频率和阻尼比,编程求解了考虑人-结构竖向相互作用的人行桥人致振动方程,讨论了人体质量、人体刚度、人体阻尼及人行荷载等行人动力学参数对人行桥动力特性及人致振动响应的影响规律.结果表明,人行荷载模型中人体质量可取中国男性居民平均质量66.2 kg.等效人体模型的自振频率和阻尼比分别取为5.15 Hz和35.62%.人行荷载作用下,人行桥一阶瞬时频率先减小后增大,一阶瞬时阻尼比先增大后减小.随着人体质量或人体等效阻尼的减小,瞬时阻尼比和频率的变化幅度均有所减小,但随着人体等效刚度的减小,两者的变化幅度均有所增大.人行桥跨中均方根加速度响应随着人体质量或人体等效刚度的增大也相应增大,而人体等效阻尼对人行桥加速度响应的影响较小.采用不同人行荷载模型计算的人行桥均方根加速度最大值是最小值的1.83倍.     

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。     

薄壁圆柱壳旋转波动振动分析

应用Donnell's简化壳理论,在考虑阻尼的情况下,用复分析的方法研究了旋转的薄壁悬臂圆柱壳在法向激振力作用下的线性波动振动.研究结果表明,使用复分析方法可以很好地求解圆柱壳的旋转波动振动问题.解的前行波、后行波实部为零可用来确定产生共振的频率及转速,而虚部可确定响应值大小.旋转的薄壁圆柱壳在线性振动时,有两个共振频率.波动共振响应曲线为拍,其幅值大小与波动模态阻尼比有关,一般后行波响应幅值要大于前行波响应幅值.     

高层建筑加强层粘滞阻尼系统的优化分析

提出了一种设加强层的框架-核心筒结构耗能减振系统,利用加强层与外围框架柱二者之间相对大的位移差,布设竖向粘滞阻尼器.基于结构简化计算简图,分别得到了采用假定振型法和有限单元法的数学模型.基于模态阻尼比,参数分析确定了阻尼器的最优阻尼系数.以一个安装了加强层阻尼系统的高层建筑为例,仿真分析了其在地震激励下的动力响应.研究表明,加强层阻尼系统可以大幅提高结构的模态阻尼比,有效减小结构的动力响应.     

轴流风机静止部件的流动和损失对比

采用三维黏性流场数值分析方法,对轴流风机的静止部件分别进行了单独和整机条件下的数值计算.对2种情况下各静止部件流场和损失的变化进行了分析.结果发现:集流器的损失较大,其效率与扩散筒的效率相当,设计中必须加以考虑;与各个静止部件单独计算时相比较,在整机计算条件下风机的扩散筒和扩散塔的流场相互干涉比较严重,导致内部流场状况较差,流动损失增大;该扩散塔的出口速度分布非常不均匀,低速区面积太大,值得改进.     

基于行人动力学模型的人桥竖向动力相互作用

基于行人动力学模型,研究了人-桥竖向动力相互作用。行人动力学模型采用以行人步频和体重表示的刚度-质量-阻尼(SMD)模型,人行桥假定为Euler-Bernoulli梁模型,建立人-桥竖向动力相互作用控制方程。采用状态空间法进行非比例阻尼系统瞬时模态的求解,得到系统的时变频率和阻尼比;利用变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法求解时变控制方程,对比分析考虑人-桥竖向动力相互作用和只在人行荷载作用下人行桥的动力响应。结果表明:考虑人-桥动力相互作用,人行桥自振频率略有降低,阻尼有显著增大;当行人以人行桥的频率行走时,考虑人-桥竖向动力相互作用结构的动力响应比不考虑人-桥相互作用显著降低。     

基于界面数据交换的风电基础流固耦合损伤机理研究

建立了风力发电机组“叶片-塔筒-基础-地基”耦联一体化系统模型，对流固耦合作用下结构的气动效应及损伤机理开展了研究.采用CFD/CSM双向流固耦合求解方法，实现了风场气流与叶片结构的相互作用，并将其与机组支撑体系的塔筒和基础耦联，研究不同风速下流体域特性、叶片气动效应、结构损伤发展规律及破坏模式.结果表明，空气可有效驱动风机叶片，在流固耦合作用下，叶片的气动效应及负压区随风速而扩大.极端风速时尖端出现气动弹性失稳现象，但由于结构阻尼逐渐趋于稳定；风机迎风侧混凝土基础环首先出现损伤，并逐渐顺钢环边缘向两侧延展，最终形成贯穿带.     

不同分析方法对风力机塔筒动力特性的研究

以云南某风场的风力发电机为例,分别采用解析法与有限元法对风机塔筒进行模态分析,得到结构的动力特性。在对比不同计算方法计算结果差异的基础上,对塔筒刚性与风轮旋转诱发的塔筒共振进行了研究。结果表明:有限元模型简化少,且计算结果丰富;结构基本对称的柔性风机塔筒在启动过程中必然出现2次瞬态共振现象;正常运营阶段,风力机风轮不会诱发柔性塔筒产生共振现象。研究为风力机塔筒的设计提供了理论依据。     

纤维含量对麻纤维复合材料力学 和振动阻尼性能的影响

振动阻尼和力学性能是节能环保麻纤维增强复合材料推广应用于高铁、汽车等运载工具车身时需要考虑的重要和关键技术指标.为此,本文对洋麻纤维增强聚丙烯复合材料进行了拉伸力学性能试验和悬臂梁模态试验,得到了复合材料的拉伸性能和振动阻尼特性参数(固有频率和阻尼比),并探讨了纤维含量对复合材料力学性能和悬臂梁固有频率以及阻尼比的影响.结果表明:随着纤维含量的增加,复合材料的断裂伸长率逐渐降低,弹性模量和拉伸强度均呈增加趋势.同时,复合材料的悬臂梁固有频率随着纤维含量的增加而增加.然而,复合材料悬臂梁的阻尼比呈现先增加后降低的趋势,当纤维质量分数为10%时,阻尼比达到最大值为0.093,与纯聚丙烯相比,提高了20.8%.复合材料悬臂梁二阶阻尼比均高于一阶阻尼比,表明振动幅值影响麻纤维增强树脂基复合材料的阻尼性能.     

机械振动和地震激励下的风电基础动力仿真

采用Matlab/Simulink软件分别对机械振动激励和地震激励作用下的风电基础进行了动力仿真分析.基于有限元软件ANSYS对风电基础的动力学参数进行了计算.采用时程分析法对风电基础在输入机械振动激励和地震激励时的位移、速度和加速度时程曲线进行了仿真.研究了黏性阻尼系数和刚度对风电基础动力响应的影响.研究结果表明,风电基础的最终响应状态是由所输入的激励状态所决定,黏性阻尼系数的大小对风电基础的动力响应无明显影响,而刚度大小对其动力响应影响明显,在一定范围内,随着刚度的增加,风电基础的位移、速度时程曲线波动越大.     

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.