海上风机复合单桩基础水平承载力数值分析

近年来海上风电发展迅速,装机容量不断增大,传统单桩基础受荷负担加重,故以单桩基础和安装在桩体外围的桶型基础(摩擦轮)组合而成的复合桩基础被逐渐采用,以保证风机服役期间的安全稳定。为研究复合桩基础承载性能,通过ABAQUS有限元软件开展复合桩基础水平承载性能的研究,分析其相较于传统单桩基础的承载力优势,并进一步进行优化设计。结果表明:相同受荷情况下,复合桩基础由于摩擦轮的存在,桩身泥面处位移和桩身弯矩均大幅减小,水平承载能力明显优于单桩基础;复合桩基础中摩擦轮直径和高度对其水平承载能力影响较明显,但其厚度对复合桩基础水平承载能力影响有限。可见复合桩基础承载能力明显优于单桩。     

单桩基础弱化对海上风机动力响应的影响

为研究海上风机在基础弱化条件下的动力响应特性以及基础刚度对其动力响应的影响,以某单桩基础的海上风机为例,建立考虑基础刚度弱化的海上风机动力分析模型,进行不同基础刚度条件下风机的整体动力响应分析。研究结果表明：基础刚度降低,对上部结构的约束作用减弱,结构的自振频率随基础刚度降低而减小,逐渐接近风机1P频率,增大结构共振风险;泥面和塔底处的水平位移受基础刚度影响较大,而塔顶水平位移对基础刚度变化不敏感;基础刚度降低会轻微增大极限弯矩荷载,但会较明显地增大塔底疲劳荷载,导致对结构疲劳的不利影响;风机紧急停机会产生更剧烈的结构响应,并且基础刚度降低会加剧这一现象。     

单桩基础海上风机受船撞击损伤和动力响应分析

随着海上风机在服役期内被船舶撞击风险提高,运用LS-DYNA软件进行了5 000t船舶以2m·s-1速度撞击单桩基础海上风机的数值仿真.提出面积受损率描述海上风机单桩基础的受损程度,分析了风机塔架易损位置的位移、加速度响应及剪力.结果显示:船舶正撞风机以塑性碰撞为主;面积受损率能合理反映单桩基础在不同质量、速度、碰撞角度船舶撞击下的受损程度,其与船舶动能具有一一对应关系;风机塔架位移响应随塔架高度增加而增强,加速度响应却减弱;塔架顶部剪力最大值同底部一样均很大,所以加强塔架顶部连接同加强底部连接一样重要.     

海上风电大直径宽浅式筒型基础抗弯特性分析

风机属于高耸结构物,承受巨大的弯矩是海上风电基础区别于其他常见结构基础的重要特征．大直径宽浅式筒型基础是适应海上风电特征荷载作用的新型基础型式．筒型基础的直径、入土深度、顸盖及侧壁厚度是控制其抗弯能力的重要技术参数．结合某海上风电工程实例,采用数值分析方法,系统研究了不同尺寸特征参数对筒型基础传递及抵抗弯矩荷载的影响,揭示了弯矩荷载作用下宽浅式筒型基础的失效模式及基础转动点位置;研究了地基承载力设计中等效均质算法的合理性．研究表明：基础抗弯承载能力随筒型基础的直径及入土深度的增加而显著增长;在弯矩荷载作用下,筒周围土体出现贯通的弧形破坏面而在基础下方土体中存在曲边三角形的稳定区;对于实际工程中的上软下硬成层土地基,经等效均质化后,将导致计算得到的基础抗弯极限承栽力明显偏高．     

海上风机变径单桩基础水平承载特性数值分析

为研究海上风机变径单桩基础承载性能,通过有限元分析软件ABAQUS建立变径桩数值模型,开展变径单桩水平承载性能的数值模拟研究,分析其相对于通长单桩基础的承载性能优势,并针对变径段尺寸进行参数分析。结果表明：变径桩极限承载力较通长桩存在明显提高,相同水平荷载作用下,变径单桩基础桩身位移明显减小,其水平承载能力要优于通长桩基础;变径桩基础中底部桩径和变径段埋深高度对水平承载力影响较为明显,增大底部桩径与减小变径段埋深均能提升桩基的极限水平承载能力,但变径段长度对变径桩基础水平承载能力影响很小。可见变径单桩水平承载性能优于通长桩。研究成果可为深厚砂土地质下的海上风电单桩基础设计与结构优化提供参考依据。     

海上风电机组单桩基础模态及参数敏感性分析

采用里兹向量直接叠加法,在考虑桩-土相互作用的条件下对海上风机单桩基础进行模态分析,得到了单桩基础9阶模态特性,基于精确的基础设计,有效地避开了风机叶片工作时的振动频率以及海浪的波动频率.发现前2阶水平向弯曲振型频率为判断单桩基础共振的主要频率.通过探讨套筒、土体、桩基础等方面的一系列参数对单桩风电机组基础模态的影响规律发现单桩基础自振频率随着套筒壁厚、土层水平向参数、桩体壁厚、桩径的增大而增大,随桩悬臂长度的增大而减小,其中受桩径影响最为显著.单桩基础自振频率随桩体埋深呈现非线性变化,并存在临界深度,超过该深度后频率基本保持不变.桩侧土体的摩阻力大小对水平向弯曲振型没有影响.     

风电机组浮态对风机运输船浮运的影响分析

针对海上风电一体化安装技术中的浮运安全,采用海洋工程设计软件MOSES气垫模块对风电机组的自浮状态进行模拟.通过对船体及风电机组的各向加速度、位移及拖缆力等因素的模拟分析,研究了风电机组初始浮态对风机运输船浮运过程中动力响应的影响.结果表明:随着风电机组的吃水增大,运输船的浮运稳性变差,当风电机组吃水在4,m以下时,其吃水变化对风电运输船浮运的动力特性影响较小;可将4,m设为风电机组的安全吃水深度.在一定范围内,风电机组的筒型基础内外液面高度差越大,船体及风电机组在浮运过程中越平稳和安全.     

海上风电大直径单桩基础优化研究

目前用于海上风电大直径单桩基础设计的API规范的p-y曲线法低估了土的初始刚度，导致设计过于保守。本文借鉴国际上关于大直径单桩基础桩-土相互作用研究最前沿的PISA项目成果，采用能够真实反映大直径单桩基础受力模式的四刚度弹簧来模拟桩-土相互作用，依托国家电投神泉一(二)期工程进行大直径单桩基础的优化研究，在满足频率、应力、变形、疲劳等设计指标的条件下，对单桩基础的入泥深度和壁厚进行了优化，所得设计桩重相比Ramboll方法可优化6%～7%,相比API方法可优化30%以上。     

漂浮式风电场的基础形式和发展趋势

阐述了海上风电场的分类,并对漂浮式风电场风电机组的浮式基础作了详细的介绍。随着风电开发技术的成熟,风机容量大型化、垂直轴风机的应用及建立非并网风电多元化应用系统将是以后漂浮式风电场发展的趋势。     

地震作用下固定式海上风机动力模型试验及耦合数值研究

海上风机是复杂环境荷载作用下多自由度复杂结构体系．为揭示环境荷载、转子机舱组件及支撑系统之间相互作用对海上风机结构运动响应的影响,建立水动力和结构弹性联合相似准则、气动力的牛顿相似准则,开展了地震、风、波流联合作用下海上风机整体结构动力模型试验,验证了风浪等环境荷载对于地震作用下五桩基础海上风机结构响应的影响．基于FAST v8推导并建立了地震、风、波浪联合作用下海上风机整体耦合数值仿真模型,揭示了该工况下海上风机结构响应的耦合特性,同时发现停机保护策略并不能有效降低海上风机结构地震响应．进一步,探讨了调谐质量阻尼器对海上风机在地震组合工况下的振动控制效果．     

海上风电的若干关键技术综述

海上风力发电是风电产业未来的主要发展方向.着重对海上风电所涉及的若干关键技术及发展情况进行了论述与分析,包括发电机设计及新结构研究、叶片材料选择与翼型设计、桨距控制技术、冷却系统设计技术及新进展、变流器及其控制器技术、风机塔架设计关键技术与基础结构选择、输电并网系统架构和风机状态监测技术等.采用大型直驱/半直驱风机、封...     

地震荷载下大直径单桩基础承载特性影响因素分析

摘 要 海上风电机单桩基础结构简单、便于安装, 但是在地震环境下, 易出现较大的水平位移, 影响海上风电机的安全运行。为此, 对地震荷载下海上风电大直径单桩承载特性及影响因素进行分析, 以Mohr-Coulomb模型为本构模型, 采用ABAQUS构建海上风电大直径单桩有限元模型, 通过人工合成波施加地震荷载, 分析地震荷载下海上风电大直径单桩承载特性及影响因素。研究发现, 桩基入土深度增大会显著减小单桩桩顶处水平位移, 增大到一定程度后对大直径单桩水平变形的发展没有显著的影响;随着桩基直径和壁厚的增大, 大直径单桩桩基变形减小, 但是桩基壁厚增加到一定程度后, 其对大直径单桩桩基水平变形的影响不再显著。     

软土地基中风机单桩基础累积侧向位移分析

为研究软土地基中近海风机大直径单桩基础在长期受荷时的累积侧向变形问题,基于室内循环三轴试验,建立考虑孔压累积的软黏土刚度衰减模型。通过对ABAQUS进行二次开发,在有限元分析程序中建立刚度衰减模型,并引入门槛循环应力比对不同应力水平的土体分区计算。研究结果表明:在刚度衰减模型中采用门槛循环应力比作为是否考虑孔压累积的标准更符合真实情况;当循环荷载较小时,桩身泥面位移在一定循环次数后趋于稳定;当荷载幅值超过一定值后,桩身泥面位移迅速发展,且不再稳定;当桩基埋入深度较小时,增加桩基埋深能有效降低桩身侧向位移。     

基于三维有限元的海上风力发电四桩基础动力响应研究

海上风力发电已成为世界可再生能源发展的关注点,而桩基础则是风机发电最常用的基础形式,而四桩基础承台由于其自身优点得到广泛应用。本文利用大型通用有限元软件ABAQUS,研究了此结构在波浪动荷载作用下的动力响应。     

双向循环荷载下海上风机群桩基础累积变形特征分析

为探究双向循环荷载下海上风机群桩基础累积变形特征,依托南海某在役海上风电工程,利用ABAQUS建立了精细化三维有限元模型,引入了改进土体刚度衰减模型并嵌入用户子程序USDFLD中实现了双向循环荷载下海床土体刚度衰减的模拟,同时进一步引入双向循环正弦变化荷载并利用用户子程序DLOAD实现了模型复合加载。基于数值结果,分析了不同幅值、不同循环次数双向循环荷载作用下群桩基础侧向累积位移及桩身弯矩演化规律。结果表明：双向循环荷载下随着荷载循环次数的增加各桩泥面处水平位移、桩身弯矩均不断增大,表现出明显的累积效应;双向循环荷载下群桩前排桩桩身泥面处水平位移、弯矩最大,中排桩次之,后排桩最小;当水平(竖向)荷载相同时,桩基侧向变形随着水平(竖向)荷载增加而增加,且水平(竖向)荷载越大增加幅度越剧烈,但同时存在最小水平循环荷载使得双向循环荷载下各桩侧向位移累积并不明显,且较单向水平循环荷载基本接近。     

海上风电散热器结构设计、腐蚀失效及防腐研究

双碳战略提出以来,我国海上风电发展持续加速,由于海洋风机所处环境为高腐蚀环境,防腐问题尤为重要,从基础结构到塔筒、从叶轮到机舱,从发电机组内部机械零件到电器元器件的防腐均有较多研究,但海上风电的散热器腐蚀防腐研究较少.本文就海上风电散热器结构设计、腐蚀分析以及防腐研究进行介绍,提出了散热器防腐堵漏措施,并对今后的发展方向提出展望.     

海上风电工程结构与地基的关键力学问题

作为一种新型清洁能源,海上风力发电受到人们的广泛关注,近十年发展迅猛．海上风电结构既不同于陆上风电结构,也区别于传统的海洋平台,既要考虑风对风机、塔架的作用,也要考虑波、浪、流、冰对水下支撑结构和地基的作用,还要考虑高倾覆力矩作用下地基的变形和承载力．然而,与之相关的水动力学、土力学、结构动力学及流．固一土耦合力学等的现有理论,还远不能满足工程设计和建设的需求,亟待发展．本文在阐述海上风电工程发展现状、结构形式与特征的基础上,重点阐述有关海上风电结构（包括固定式和浮式）的耦合水动力载荷与响应、地基的动力响应与承载特性的研究发展趋势,从水动力学、土力学和结构动力学的角度,凝练其中亟待开展深入研究的关键科学问题,包括：近海复杂海洋环境条件、海上风机系统的耦合水动力载荷、支撑结构和地基的动力响应等,并据此提出近期研究的发展方向,为从事海上风电工程研究和建设的科技人员提供参考．     

非对称风-浪荷载下海上风电筒型基础的累积倾角研究

随着筒型基础逐渐成为海上风电基础的常用形式，其在循环荷载作用下的倾角长期发展规律备受关注．基于模型试验与原型无量纲量等效的缩比尺原则，开展了不同工况风-浪荷载耦合作用下筒型基础模型试验，得到了筒型基础在循环荷载作用下的累积倾角发展规律．试验结果表明：影响筒型基础倾角累积速率的参数随着无量纲荷载幅值的增加而增加并与荷载的非对称性无关，部分双向非对称的风-浪耦合加载工况会导致筒型基础产生更为严重的累积倾角．当循环次数和循环荷载幅值一定时，累积倾角与表征荷载非对称性的无量纲参数呈近似线性关系．根据试验数据，建立了预测不同循环荷载条件下筒型基础累积倾角的经验公式．     

海上风电场建设重大工程问题探讨

三峡集团公司承担了国家“十一五”科技支撑计划项目中近海风电场选址及风电机组运行、维护技术开发和近海风电机组施工、测试专用设备的研制等有关课题的研究工作,在江苏近海和潮间带建设了多台具有自主知识产权的试验风机。通过研究测风、风资源评估、基础结构、运输吊装、运行维护等海上施工关键技术,以及推动大型海上风力发电机组的研发,探索降低海上风电开发成本的措施。以海水淡化为切入点,开展风电的非并网应用研究,寻求解决风电消纳问题的新方法。     

叶片覆冰对支撑结构抗冰性能的影响分析

海上风能资源作为清洁能源具有较大发展潜力。在我国黄渤海地区,风力机叶片表面在寒冷潮湿环境下易出现覆冰现象,覆冰不均匀可能会改变风机支撑结构的整体力学性能。在结冰海域,海冰会造成风电基础结构强烈的冰激振动。叶片覆冰后不仅会降低风电机组的发电效率,还会影响支撑结构的冰振特性。本文首先通过FENSAP-ICE对叶片覆冰过程进行研究,明确了不同环境条件下的风机叶片覆冰特性;其次,采用增加质量和改变质心位置的等效质量分布方法,建立风机叶片覆冰后支撑结构的冰振响应分析方法。最后,选取某单桩式海上风电基础结构,对不同的风机叶片覆冰情况下支撑结构的力学性能进行分析,并讨论叶片覆冰对支撑结构的抗冰性能影响。