海上风机支撑结构的时域和频域疲劳对比研究

对海上风机支撑结构进行动力响应分析,求出结构危险节点的载荷谱和功率谱密度函数,结合疲劳损伤模型和Dirlik概率模型,分别在时域和频域内对支撑结构进行疲劳寿命分析。由于时域法计算疲劳寿命需进行应力循环计数,这一过程需处理的数据庞大,耗时长。频域法省去应力循环计数,代之以概率密度函数,可相对准确、快速地计算结构的疲劳寿命。分析结果表明,采用Dirlik概率模型的频域分析法能较准确地反映海上风机支撑结构在随机载荷作用下的疲劳损伤情况,计算结果误差在可接受范围内。     

海上风机支撑结构的时域和频域疲劳对比研究

对海上风机支撑结构进行动力响应分析,求出结构危险节点的载荷谱和功率谱密度函数,结合疲劳损伤模型和Dirlik概率模型,分别在时域和频域内对支撑结构进行疲劳寿命分析.由于时域法计算疲劳寿命需进行应力循环计数,这一过程需处理的数据庞大,耗时长.频域法省去应力循环计数,代之以概率密度函数,可相对准确、快速地计算结构的疲劳寿命.分析结果表明,采用Dirlik概率模型的频域分析法能较准确地反映海上风机支撑结构在随机载荷作用下的疲劳损伤情况,计算结果误差在可接受范围内.     

海上风机支撑结构时域疲劳研究

海上风机在实际工作中会受到多种交变载荷的影响,长期处于这种环境下,风机结构物会产生疲劳破坏。基于时域分析及雨流计数法理论,采用5 MW风机为研究模型,设计风机在某工况下,采用理论计算和仿真模拟2种方法对风机支撑结构进行研究,并将结果进行分析比较,得出结构物时域疲劳随风、浪、流的变化规律情况,为海上风机的设计与建造提供参考依据。     

B型独立舱支撑结构的计算分析

考虑到采用B型独立舱的船舶独立舱的支撑结构设计的重要性,根据支撑结构承受载荷特点,通过弹簧单元模拟支撑结构中的垫木以获得支座强度校核时的载荷数据,将该载荷施加在支座的有限元模型上进行计算分析,对支座进行强度校核及优化,从而获得合理的支撑结构型式。     

Spar型海上浮式风机极端载荷预报

在风机极限强度校核问题中,通常采用传统的直接积分法外推求解构件所受的极端载荷。由于传统算法本身的缺陷,在求解海上风机时所需仿真数量急剧增加,给外推造成了困难。为了减少所需的仿真数据,引入反向一阶可靠度方法求解风机极限载荷。将其二维形式环境等值线法与1维最优化方法二分法结合起来,形成一种新的搜索算法。以某Spar型海上浮式风机为例,对其长期载荷进行求解,获得了叶片根部面外弯矩和塔筒基底首尾弯矩分别在1年和20年重现周期下的极端载荷。为了验证计算的准确性,采用计算量更大的直接积分法获取了这2项载荷的长期分布。发现计算结果与超越概率曲线具有较好的吻合度,由此体现出该方法在求解风机特定极限载荷时,不仅具有计算成本的优势同时也有较高的可靠性,为快速求解风机极限载荷提供了一种参考。     

海上风机半潜型浮式基础结构设计及整体强度分析

综合考虑海洋环境载荷及气动载荷,探讨了半潜型浮式基础结构设计及整体强度分析方法。针对一座安装在120m水深海域的5MW海上风机,参考海洋结构设计的有关规范,设计了由三立柱、斜撑、水平撑等构件组成的浮式基础。应用SESAM软件,建立了风电浮式基础整体有限元模型;根据莫里森公式和势流理论分别计算构件及立柱的水动力载荷,并运用叶素理论计算风机叶片的空气动力载荷;综合施加水动力载荷及叶片气动载荷,计算浮式基础结构的应力分布和变形分布。根据ABS规范,综合考虑构件压应力和弯曲应力,校核了构件的压-弯强度。计算分析结果表明,连接塔柱与立柱斜撑的两端部位应力较大,属于结构的危险部位。     

海上风力发电机组支撑结构动力响应特性研究

支撑结构设计是大型海上风电机组设计的重要部分。文章分析了海上风电机组的各种环境载荷,并以3MW风力机组为例计算其所受环境载荷,包括作用在支撑结构顶端的由风机叶轮转动引起的水平轴向力、作用在塔筒上的风载荷以及作用在基础上的海流、海浪载荷,并采用非线性弹簧来模拟基础与海底土层之间的相互作用。在考虑风轮影响情况下,利用有限元法对支撑结构进行了模态分析。最后,分析了环境载荷作用下支撑结构的动态响应。计算结果表明,在对海上风力发电机组进行动态响应计算时,环境载荷之间的相互耦合作用不能忽略。     

气动载荷对半潜式海上风机运动响应的影响分析

以DeepCwind海上风机为研究对象,利用有限元软件ANSYS AQWA进行风机频域水动力数值仿真分析,得到水动力参数以及幅频响应曲线,将得到的水动力参数导入到FAST软件中,对风机气动-水动-锚泊系统的时域耦合运动分析。在此基础上,讨论了气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响。结果表明,气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响较大且不可忽略,横摇,横荡以及首摇运动随着气动载荷的增大而增大,垂荡运动随着气动载荷的增大而减小,风作用在叶片上所产生的气动阻尼削弱了垂荡运动,增强了横荡、横摇和首摇运动。     

疲劳强度对船体结构设计的影响

船舶中的销轴结构在工作过程中的受力情况类似于一悬臂梁。船舶在航行过程中的激励载荷会使销轴上的支撑结构做轻微晃动,造成销轴末端受到较大应力,导致销轴结构疲劳寿命较差。为了提高某船用销轴结构疲劳寿命,改善其设计质量。本文构建销轴的三维结构,并采用有限单元法建立销轴结构双工况有限元模型,获得销轴结构应力分布以及销轴末端位移参数。并将随机载荷谱、疲劳寿命曲线、有限元法相结合,获得销轴结构在外界随机激励载荷情况下的疲劳破坏点,该方法同样可为船舶其余结构设计提供参考。     

半潜式浮式风机耦合动力响应特性试验研究

漂浮式风机顶部叶片水平平均气动载荷和叶片旋转运动诱发的高频载荷与塔筒结构和锚泊系统相互耦合，构成复杂的非线性系统。系统的耦合动力特性分析是方案总体设计的关键。在水池中开展不同浪向和海况条件下的试验。试验结果表明，在该系统模型的纵摇和横摇间存在显著的低频耦合；1倍和3倍叶片旋转频率分别与波浪频率和塔筒一阶频率接近，极易引起大幅谐振，而2倍频的影响较小。     

半潜浮式风机的动力响应分析

OC4半潜浮式风机综合性能较好，但其浮式基础结构质量和结构复杂性使其建造成本高昂，而WindFloat半潜浮式风机浮式基础具有结构简单、建造成本低和减摇效果好等优点，但是适应水深较小且只适合特定海域。结合OC4和WindFloat半潜浮式风机浮式基础的结构特点，针对200 m水深环境设计OC4-WindFloat半潜浮式风机基础。基于叶素理论、莫里森公式和势流理论，通过有限元软件对OC4-WindFloat半潜浮式风机的固有周期及风浪联合作用下的动态响应进行耦合分析，并与OC4半潜浮式风机结果进行对比研究。结果显示，OC4-WindFloat半潜浮式风机固有周期及动态响应均满足相关规定，且具有比OC4更低的建造成本，相比WindFloat可适用更深的海域。研究结果对于浮式基础型式研究有一定的指导意义。     

液压销孔式升降系统结构分析

升降系统是自升式风电安装船的核心设备，其结构稳定性是其平台和桩腿顺利实现升降的保证。本文以某自升式风电安装船的液压销孔式升降系统为研究对象，采用有限元方法建立其部件的结构模型，给出结构分析的载荷及边界条件，并运用有限元分析软件Ansys对各工况下的受力与变形进行求解,对计算结果进行分析和评估。研究结论为升降系统的设计与制造提供了理论指导，并为此类结构受力的设计计算提供参考。     

超大型风机安装平台自升状态下的运动响应频域分析

针对自升自航式海上风机安装作业平台在风浪较大的海上风电场区域作业时风、浪、流载荷较大,影响安全的问题,基于SESAM软件,建立海上风机安装作业平台有限元模型,在频域内计算了波浪载荷和运动响应传递函数,并进行响应谱分析。结果表明,平台运动响应受波浪周期和浪向角的影响较大,当桩腿接近海底时,有可能对导致桩腿触底,在船舶设计以及船舶实际作业时应注意避免这种现象发生。     

Model test investigation of a spar floating wind turbine

Several floating wind turbine designs whose hull designs reflect those used in offshore petroleum industry have emerged as leading candidates for the future development of offshore wind farms. This article presents the research findings from a model basin test program that investigated the dynamic response of a 1:50 scale model OC3 spar floating wind turbine concept designed for a water depth of 200 m. In this study the rotor was allowed to rotate freely with the wind speed and this approach eliminated some of the undesirable effects of controlling wind turbine rotational speed that were observed in earlier studies. The quality of the wind field developed by an array of fans was investigated as to its uniformity and turbulence intensity. Additional calibration tests were performed to characterize various components that included establishing the baseline wind turbine tower frequencies, stiffness of the delta type mooring system and free decay response behaviour. The assembled system was then studied under a sequence of wind and irregular wave scenarios to reveal the nature of the coupled response behaviour. The wind loads were found to have an obvious influence on the surge, heave and pitch behaviour of the spar wind turbine system. It was observed from the experimental measurements that bending moment at the top of the support tower is dominated by the 1P oscillation component and somewhat influenced by the incoming wave. Further it was determined that the axial rotor thrust and tower-top shear force have similar dynamic characteristics both dominated by tower’s first mode of vibration under wind-only condition while dominated by the incident wave field when experiencing wind-wave loading. The tensions measured in the mooring lines resulting from either wave or wind-wave excitations were influenced by the surge/pitch and heave couplings and the wind loads were found to have a clear influence on the dynamic responses of the mooring system.     

深水SPAR风机系统全耦合动力响应分析研究

文章采用联合开发的计算程序对深水SPAR风机的浮体、锚泊和风机各子系统进行了水—气动力的全耦合数值分析,研究了深水浮式风机系统的动力响应特点。浮体水动力计算采用基于二阶精度的混合波浪模型(Hybrid Wave Model)的MORISON公式,锚泊系统采用细长杆理论通过非线性有限元方法实现,风机系统的空气动力分析采用基于多体气动弹性理论的FAST模块。以浮体控制方程为主体,通过模块间的载荷与位移传递在每个时间步上迭代求解,形成完全耦合的时域分析方法。通过对NREL的5MW SPAR风机系统在随机海况下的水动力响应分析,验证了该方法的有效性,并分析了浮式风机子系统间的混合动力作用。     

海上风电浮船分体安装运动响应数值仿真分析

本文采用数值仿真手段分析浮吊船的运动响应以确定采用浮吊船进行风电机组分体安装的可行性。利用基于边界元法的水动力学数值仿真的手段，计算强峰1800和苏连海起重08两艘起重船的浮体运动响应RAO。采用频域谱分析的方法，计算随机波条件下两船吊钩位置的垂荡运动响应谱，并通过波浪谱统计规律确定船舶的最大运动响应以及加速度响应，以确定风电机组分体安装的可行性。     

冰区海上风电基础的抗冰性能分析

海上风电基础属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩。基于对渤海辽东湾柔性抗冰结构的多年监测,发现强烈的冰激振动引起柔性结构的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。为了明确冰区风电基础结构的抗冰性能及抗冰设计的合理性,文章结合基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,明确该类柔性结构与海冰作用形式及其动力特性;提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型风电基础为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区风电基础的抗冰设计及安全保障提供合理依据。     

变桨器故障引发停机对海上桁架式Spar风机运动的影响

应用空气动力-水动力时域耦合模型,模拟风机叶片因变桨器故障而卡住并由此引发的停机过程,研究此故障情况对海上桁架式Spar风机系统6个自由度运动响应的影响。研究结果表明:开发的数值模型成功地模拟了风机进入停机过程中的电网断开以及空气动力制动,预报的纵摇运动与其他数值模型的结果接近。通过桁架式Spar风机系统在正常工作情况和故障情况下的对比发现:纵荡、纵摇、横荡以及横摇的振幅因故障而增大,艏摇运动在停机过程中被快速激发,振幅大幅增加,揭示了此类故障对海上Spar风机系统的安全性构成威胁。