非平稳台风-桥分析系统

 从风场模拟、验证和荷载处理3个方面考虑台风非平稳特性,构建了台风-桥分析系统。构建了台风风场模拟验证系统方法,基于非平稳风速模拟方法建立台风风场模拟方法,并引入非均匀调制进化谱对模拟风场进行验证;基于良态风荷载处理方法,建立了台风荷载处理方法,并采用APDL语言进行ANSYS二次开发,建立台风-桥时域分析系统;采用建立的分析系统对台风作用下某斜拉桥桥梁响应进行分析。结果表明,模拟功率谱和验证进化谱吻合良好,提出的台风风场模拟和验证系统方法合理有效;模拟台风风速与台风作用下的桥梁响应时程曲线均与时变平均风速变化趋势相同,且波动幅度随时变平均风速的减小而减小;基于平稳特性经典风谱直接对台风风场进行模拟不合适。     

基于结构健康监测的苏通大桥实测强风演变功率谱

对基于小波变换的非平稳时间序列演变功率谱密度函数的估计方法进行了总结.以苏通大桥结构健康监测系统实测的台风达维、海葵以及冬季强北风数据为研究对象,基于Morlet小波计算了上述3个实测典型强风的演变功率谱密度函数.实测风演变谱在时域内的均值与傅里叶谱吻合良好,验证了演变谱估计结果的准确性.实测强风的演变功率谱分析结果表明,脉动风的能量主要集中在低频部分,且脉动风速功率谱随时间变化显著,具有较强的非平稳特性.基于平稳随机过程假设的传统风谱计算方法无法准确描述实测强风风谱的非平稳特征.研究结论可为桥址区三维非平稳脉动风场的准确模拟以及强/台风作用下苏通大桥的非平稳抖振分析提供实测参考.     

台风“梅花”作用下中国航海博物馆风场特性及风振响应实测分析

采用超声风速仪与加速度传感器,对台风"梅花"作用下中国航海博物馆周围风场及双曲面索网结构风振响应进行现场实测,对脉动风速的概率密度分布、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、风速功率谱等风场特性及加速度概率密度分布、反应谱、结构自振频率、阻尼比、振型等风振特性进行研究.结果表明:脉动风速的概率密度分布符合高斯分布;湍流度和阵风因子随平均风速的增大而减小;顺风向、横风向、竖向脉动风速影响下顺风向湍流积分尺度平均值的比值为12.1∶3.4∶1.0,湍流积分尺度与平均风速相关性较小,随湍流度的增大而减小;实测脉动风速谱与Von Karman谱较为吻合;风振具有较强的非高斯性,随振幅阈值的增长,阻尼比的变化可分为线性递增段和平稳段,利用谱分析法、随机减量法、随机子空间法等方法计算得到的自振频率较为一致.     

台风外围影响下的大跨度拱桥桥址区近地风特性实测研究

基于南广铁路肇庆西江特大桥风速风向监测子系统,对2015年6月台风"鲸鱼"气候条件下的平均风速、平均风向以及脉动参数(紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度、脉动风速功率谱等)开展实测研究.结果表明:台风外围影响下1min平均风速波动幅度较大,呈现出跳跃性;实测紊流强度离散性较低,纵向紊流强度实测值0.253,紊流强度和阵风因子有随平均风速的增大而减小的趋势特征,且该趋势在低平均风速段更为明显;各方向上紊流积分尺度与规范相应推荐值差别较大,流场中主要以中小尺度涡旋为主,其离散度随平均风速的增加略有增大;规范推荐的Kaimal谱与实测水平向脉动功率谱函数并不能很好地符合,台风"鲸鱼"在低频段和高频段的谱值均偏高.实测表明台风外围风场具有一定相关性,采用Davenport假设会带来一定误差.     

输电线路所处复杂地形的风场数值模拟

输电线路在强风尤其是台风作用下极易受损。为了评估线路在台风中的风险,需要确切得知线路中各个位置的风速。采用计算流体力学方法,对台风中受损线路所处的复杂地形进行建模,获得高分辨率的风场信息。使用风速比来评估地形对风场的影响,数值模拟结果显示复杂地形能够显著影响不同区域的风速大小,导致不同的输电塔所受风荷载的巨大差异,从而解释了特定区域发生倒塔事故的原因。     

台风环境大跨度廊桥非平稳抖振分析及舒适度评估

以东南沿海某大跨度廊桥为工程背景,建立了风振分析有限元模型.基于台风湍流演变谱模型,对台风非平稳湍流场进行模拟与验证,开展台风环境下大跨度廊桥非平稳抖振分析及舒适度评估,并与相同平均风速下基于平稳湍流谱获得的抖振分析结果进行对比.结果表明,在时变平均风较大时段内,非平稳风速幅值明显增强,相应的非平稳抖振加速度高于平稳抖振结果.平稳与非平稳抖振竖向峰值大于横向抖振峰值,竖向与横向抖振峰值均在规范规定的最佳舒适度限值内,而非平稳抖振峰值较平稳抖振峰值更加接近规范舒适度限值.因此,考虑台风湍流非平稳特性开展大跨度廊桥抗风设计更加安全合理.     

考虑非平稳横风作用的列车-大跨斜拉桥 耦合系统动力响应

为了研究非平稳横风对列车-大跨斜拉桥耦合系统的动力响应,首先使用 EMD （经验模态分解）方法对已有实测台风数据进行处理,获得台风的时变平均风速,将风谱中的 平均风速替换成时变平均风速,通过谐波合成法模拟得到非平稳横风脉动风速 . 使用有限元 软件 ANSYS和多体动力学软件 SIMPACK 建立列车-轨道-斜拉桥耦合分析模型,非平稳风荷 载包括时变平均风引起的静风力和非平稳脉动风引起的抖振力. 计算了风-列车-大跨斜拉桥 耦合系统的动力响应,对比分析了平稳风与非平稳风作用下列车和斜拉桥的加速度响应以及 桥上列车的安全舒适性指标. 结果表明：对比平稳风,在非平稳风作用下列车的横向和竖向最 大加速度分别增大了12%和23%,桥梁的横向和竖向最大加速度分别增大了16%和7%,列车 的轮重减载率、轮轨横向力、脱轨系数分别增大了9%、14%和4%,列车的横向Sperling指标有 一定的增大,从而降低了桥上行车的安全性和舒适性;频谱图显示在低频区域内,非平稳风作 用下列车的竖向振动、横向振动和桥梁的横向振动会更加强烈.     

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。     

风力机旋转叶片脉动风场建模与数值仿真

分析了风力机风场模型与普通建筑风场模型的相同点和不同点,指出叶片的转动将改变叶片上风速模拟点风速谱的能量分布,使相当部分的频率能量集中到风轮旋转频率及其倍频处.根据标准von Karman模型和旋转采样谱模型,推导并建立了风力机叶片的脉动风速谱功率矩阵,并在此基础上,采用谐波叠加法模拟了叶片脉动风速模拟点的风速时序数据.     

福建滨海区台风过程风特性实测及分析

在福建省平潭县王爷山构建风场实测系统,记录了2017年1709号台风“纳沙”和1710号台风“海棠”的三维风速时程. 利用两次台风数据,对台风风眼区经过前后的近地边界层风特性进行研究和分析. 总结风速剖面参数、湍流强度、湍流积分尺度、阵风因子等风参数的分布规律和风眼壁区脉动风速功率谱在频域内的特征,并对实测风速功率谱进行了分析及拟合,得到适应该地区的风速功率谱及相应谱参数,供该地区结构抗风设计参考.     

变载荷下风力发电机行星齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学特性

根据风力发电机传动系统在随机风场中复杂变工况的工作特点,建立了最小二乘支持向量机风场随机风速模型,获得了由随机风速引起的时变风载荷。采用集中质量参数法建立了风力发电机行星齿轮传动系统中齿轮滚动轴承耦合动力学模型,考虑了风力发电机行星齿轮传动的变风载输入、齿轮时变啮合刚度和滚动轴承时变刚度等影响因素,对变风速下1.5 MW半直驱风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性进行了仿真计算分析,求得了变风速下行星齿轮传动系统的振动位移、各齿轮副的动态啮合力和非线性动态轴承力,为风力发电机传动系统的动态性能优化和可靠性设计奠定了基础。     

风荷载下输电塔绝缘子断裂对塔体性能的影响

选用Davenport风速谱,利用谐波叠加法,模拟动风荷载.以常见500kV酒杯型直线塔为分析对象,应用有限元软件Ansys,建立3塔4跨模型.考虑几何非线性,分析10级风下悬垂型绝缘子断裂后对塔体结构性能产生的影响.分析表明,绝缘子断裂使断后仍与导线相连的塔体的塔柱等主要受力构件应力增大10%～32%,支座反力增大6%～21%.因此,风荷载与绝缘子断裂的组合作用在输电塔的设计中不容忽视.     

地形起伏变化下的边界层参数化台风风场模型

对于登陆台风来说,采用平坦下垫面和单一的地表粗糙长度假设并不能与实际情况相吻合.为了更准确地模拟台风近地面风场,基于现有参数化台风风场模型,采用随地形变化的坐标系建模方法和高精度地形与土地覆盖资料,考虑了台风登陆过程中地形起伏和土地覆盖变化的影响.针对历史上影响广东省的3个台风案例,利用大量观测数据对比和验证了改进后的台风风场模型.对比结果表明:改进后的参数化台风风场模型对风速的模拟并没有表现出明显的系统偏差,并且能较好地模拟出台风登陆过程中风速风向的时程变化.     

从输电阻塞角度建立的风电场容量可信度模型

风电并网时既要考虑系统的可靠性又要考虑输电阻塞。目前风电场容量可信度仅从可靠性单一角度提出。为此从输电阻塞角度提出了风电场容量可信度的定义;通过Monte Carlo法建立计及元件故障(发电机、线路和变压器)的风电场容量可信度模型,并提出该模型的二分法求解算法;同时还提出了风电阻塞指标以描述风电场并入电力系统对缓解系统输电阻塞的贡献。通过对修改的IEEE-RTS进行算例分析,验证了方法的正确性和实用性。结果表明:系统阻塞状况的缓解程度与并入风电场的位置有关,风电场容量可信度和风电阻塞指标相结合可以评价风电场并网对系统阻塞状况改善的有效性和经济性。     

台风作用下输电线路风振系数及抗风性能研究

为研究良态风与台风作用下的输电线路风振系数,以广东省国古线一铁塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法模拟了台风风场,并开展了动力分析.首先,对比了5种国内外设计规范的风振系数计算方法,发现各规范均未单独考虑台风的强脉动特性;然后,基于惯性力法获取了铁塔风振系数并揭示了塔线耦联效应的影响.最后,利用生死单元法定量评估了两种风场下输电线路的抗风性能.结果表明:台风的高湍流特性导致顺风向风振系数大于良态风对应值;导线可增大铁塔横风向基频,并使铁塔振型由单塔的弯曲型变为塔线体系的弯剪型,塔线体系横担处风振系数大于单塔;湍流度从0.14提高至0.20,临界倒塌风荷载降低约11%.因此,台风多发地区的输电塔设计应适当提高湍流度取值,必要时还应考虑塔线耦联效应.     

轻钢屋面自攻钉节点在台风作用下时变可靠度研究

为建立台风作用下自攻钉节点灾后性能评估办法,首先基于风洞试验的屋面时程风压系数数据,结合模拟台风的风速和风向信息,利用雨流分析法计算台风过境期间的屋面风压系数矩阵,进而用于不同风速下的节点抗力退化模型计算.其次,结合台风荷载模型,采用蒙特卡罗模拟方法,获得沿海城市自攻钉节点的时变可靠度指标,从而实现基于概率的自攻钉节点抗风性能评估.此外,根据模拟台风方法给出模拟台风的风速及风向的解析解,同时得到了台风致自攻钉节点抗力退化数学模型.通过算例分析得出考虑自攻钉节点的台风致抗力退化会使其可靠度显著下降.在对轻钢屋面自攻钉节点进行可靠度评估时,按照我国规范中的目标可靠指标较为保守.     

基于GWO改进神经网络的风致输电杆塔响应计算方法

针对基于有限元方法的风致输电杆塔仿真模型存在模型参数设置复杂、响应速度低下等问题,本文提出了一种结合杆塔仿真计算与机器学习的杆塔应力快速计算方法,实现了风致输电杆塔仿真模型的高效运算。本文首先利用有限元仿真分析10~35 m/s风速0~90°风向下输电杆塔的应力结果,将其作为神经网络训练样本;分析杆塔本征参数及气象因素对杆塔应力结果的影响,提出一种基于风速、风向和塔材类型等因素的特征值选取方法;利用GWO优化算法提高神经网络准确度,建立基于GWO-BPNN的杆塔风致应力计算模型,计算速度可达建模仿真的10倍以上。在准确率上,基于数据集划分训练集及验证集,模型准确率在98%以上,将计算结果与实际杆塔受灾情况相比情况一致。本模型可用于输电线路防风预警,致力于输电线路防灾减灾。     

台风载荷作用下输电塔线体系时程分析及补强措施

为研究±800 kV输电线路所使用的横担较长的铁塔在受到台风载荷作用时的时程响应分析,通过建立三塔两线有限元模型,基于风速不随高度变化的Von Karman谱,利用谐波叠加法生成了基准风速为50 m/s的风速时程,应用模拟的台风载荷进行时长为50 s的时程分析,共分析了风载荷45°、60°、90°作用下塔线体系的三种情况。仿真结果显示,在45°和60°风作用下,铁塔中部、塔头和塔身连接的平口处应力超过屈服强度,导、地线挂线板处所受应力也超限,铁塔在90°风作用时,塔身腰部主材和塔腿主材应力也超过屈服强度。要预防台风对铁塔的破坏,应该从上述三个部位对铁塔进行补强,在塔腿及塔腰之间增加水平材是一种有效的加固措施。