海上风电机组门洞焊缝应力计算及测试验证

风电机组的塔筒门框焊缝应力状态复杂,且在机组全寿命周期服役过程中承受超高周的动态载荷,其疲劳可靠性是塔筒设计工程师需重点关注的设计项点之一。由于塔筒面内弯矩载荷Mx、My塔筒疲劳设计的主导载荷,在进行塔筒门框焊缝疲劳设计时仅考虑面内弯矩载荷即可,门框焊缝的疲劳强度计算精度取决于焊缝处评估应力的计算精度,门框焊缝疲劳强度的评估应力通常采用国际焊接学会（IIW）推荐的热点应力法计算得到。文章首先针对某大兆瓦海上风电机组得塔筒门框焊缝区域进行有限元仿真计算,得到在塔筒面内弯矩Mx、My的单位载荷作用下选定的多处门框焊缝应力插值点的应力结果。然后基于测试得到的塔底截面弯矩时间历程,线性推导得到各焊缝应力插值点处的应力时间历程。最后将推导得到的应力时间历程与测试得到的应力时间历程进行对比,以此验证门框焊缝应力计算模型的正当性。对比结果表明,文章采用的门框焊缝应力计算模型是满足工程设计需求的。     

海上风电机组载荷测试及仿真一致性验证

随着海上风电机组向大型化趋势发展,风电机组降本及优化设计成为整机厂家尤为关注的话题。从测试和仿真的角度出发,对某海上风电机组不同风速下的叶根、塔顶、塔底载荷进行了测试和仿真,对统计值和疲劳载荷进行了对比分析,结果表明其测试与仿真结果具备良好的一致性,误差在10%以内,满足工程需要。载荷对比的一致性充分验证了该风电机组设计模型的正确性,不仅可为机组降本提供思路,也可为今后海上机组设计提供技术指导。     

大型海上风电机组扭振瞬态响应计算研究

针对波动性的空气扭转载荷会严重影响风电机组传动系统中关键部件使用寿命的问题,以某5MW海上直驱型风电机组传动系统为研究对象,建立了模拟真实风的风剪切、塔影效应、湍流效应的气动载荷模型,归纳了风电机组扭振分析的计算流程,结合简化的风电机组双质量模型得到了传动系统在不同风载荷模型作用下的瞬态扭振响应特性。结果表明:风剪切—塔影效应对于风电机组的瞬态扭振响应影响较小,而湍流风效应对风电机组的扭振响应较大。     

大型海上风电机组整机涡激仿真

随着海上风电机组朝着大型化发展,塔筒高度和叶片长度都显著增加,并且海洋风比陆地风的湍流度更小,这些因素使得大型海上风电机组在吊装或停机状态下频繁出现涡激振动现象。涡激振动增大了风电机组发生强度失效以及疲劳寿命降低的风险。为研究大型海上风电机组整机涡激振动的机理,文章采用仿真方法对某大型海上机组实际发生的涡激振动现象进行复现和分析：首先对风电机组进行流场分析,然后提取流场分析得到的时序载荷,施加到风电机组有限元模型上,进行瞬态分析,从而实现流固耦合仿真。仿真结果表明：风电机组的涡激振动是一种流固耦合现象,主要原因是,在特定风况条件下,气流在塔筒和叶片的壁面处形成周期性脱落的漩涡,对壁面产生周期性的反向载荷。当载荷频率与机组振动的固有频率接近时,使机组发生共振。文章通过仿真方法揭示了大型海上风电机组发生涡激振动的机理,对提出风电机组涡激振动防治策略具有参考意义。     

冰区海上风机的动力响应及疲劳分析

本文针对冰区作业的海上风机进行动力响应分析与疲劳损伤计算。采用Kaimal风速谱进行风载荷计算。采用K?rn?冰力谱进行冰载荷计算。分别进行风载荷、冰载荷与风冰联合作用3种不同工况下的海上风机动力响应分析与疲劳损伤评估。结果表明,风载荷作用下塔筒顶端位移要远大于冰载荷作用。风冰联合作用下风机在泥面处的支座反力与弯矩均大于单一载荷的作用。冰载荷作用下风机的疲劳损伤小于风载荷所造成的疲劳损伤,但风冰联合作用下风机的疲劳损伤均大于任一载荷单独作用。采用DNV方法计算得到的疲劳损伤值较接近风冰载荷联合作用计算结果,且偏于保守。     

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。     

非线性混合海况下近海风机塔筒底部载荷的动力响应

本文主要研究在非线性混合海况(即风浪和涌浪组合海况)下,以NREL 5MW_Baseline Monopile近海风机为研究对象,对其塔筒底部(基线)所受到的剪力和弯矩载荷的动力响应进行仿真。在近海风机的时域仿真中,选用了Ochi-Hubble六参数波浪谱,并编制了该谱的程序嵌入到FAST中进行编译。计算过程中,共进行了20次10 min的仿真分析。对于得到的短期载荷,给出了波高程,塔筒底部首尾向剪力和弯矩在线性与非线性不规则波作用下的时程曲线对比图。采用分块最大值法对每一次的短期载荷提取极值,并基于20次仿真所得的极值,给出了塔筒底部首尾向剪力与弯矩在线性与非线性不规则波作用下的超越概率曲线对比图。研究表明,在非线性混合海况下进行近海风机塔筒底部载荷的动力响应研究,计算结果对工程实际应用具有指导意义。     

半潜平台载荷不确定性及结构可靠性研究

分析了海浪谱型、波高及载荷传递函数的不确定性对波浪载荷的影响,运用模型试验和数值方法计算波浪载荷传递函数的不确定性,提出了波浪载荷长期极值不确定性分析的新方法.基于简化Smith方法计算了半潜平台整体结构横垂向弯矩极限承载能力,使用蒙特卡洛模拟法分析了极限承载能力的统计参数和概率分布形式及其不确定性,同时运用改进的Rosenbluth方法加以比较验证,最后基于验算点法计算了某半潜平台横向结构抗弯极限强度的可靠性.     

循环载荷下铝质船舶加筋板极限强度影响因素研究

运用非线性有限元软件ANSYS,研究铝质船舶加筋板在单轴拉—压循环载荷下的极限强度特性,重点讨论铝质加筋板热影响区的分布方式、热影响区的范围大小、不同循环载荷历程对铝质加筋板极限强度的影响,所获结果对铝质加筋板的设计与制造具有一定的参考价值。     

船舶焊接结构件的疲劳特性分析与结构设计

船舶焊接结构件的疲劳破坏是结构失效的主要原因之一,对船舶结构的安全性和可靠性具有重要影响。本文介绍船舶焊接结构件的常见失效形式和机理,重点分析船舶焊接结构件的疲劳特性影响因素,包括焊接质量、应力集中等,结合船舶舱室焊接结构的载荷特性,基于Ansys软件进行了焊接结构件的疲劳特性有限元分析。本文研究对于提高船舶焊接结构件的疲劳寿命具有重要意义,为船舶焊接结构件的优化设计提供了一定的参考。     

起重船浮式安装风机塔筒和机舱的可行性分析

采用浮体动力学分析与冲击响应分析相结合的技术路线,以结构应力满足材料强度指标作为依据,探讨中广核岱山4#风场浮式分体安装风电机组塔筒分段和机舱的可行性.浮体动力学仿真考虑浮体与系泊系统耦合,计算得到起重船吊钩处的运动响应;冲击响应分析采用基于动力荷载放大系数和显式动力学分析2种方法进行.结算结果表明,分体安装塔筒分段和机舱时,对结构的冲击所产生的应力满足材料强度指标,浮式分体吊装可行.     

关键环境因素对风电机组输出功率的影响

为研究湍流强度、空气密度和风切变等3种关键环境因素对风电机组输出功率的影响,建立了分仓理论模型。以2.5MW风电机组为研究对象,对3种环境因素进行解耦分仓。采用仿真的方法研究分仓映射下机组的功率特性,并以分仓数据库为基准,得到机组的功率数据库,通过程序插值的方式得到预测功率值,结果表明：当湍流强度小于10%时,对机组的输出功率影响较小;湍流强度越大,在切入风速附近时机组的输出功率增幅更明显,但在额定风速附近时输出功率会减小;风切变变化时会直接影响风动能通量和机组的风能利用率;机组输出功率随空气密度的增大而变大,可将实际空气密度以标准空气密度为基准折合到风速中计算功率值;功率数据库具有较好的普适性,能较精确的预测实际功率值,结合风电机组的实测运行功率数据,有助于及时判断风电机组是否正常运行。     

基于三维实体仿真模型的气囊隔振器刚度特性研究

为解决二维轴对称模型或三维壳单元模型准确度不高和后处理空间不足的问题,本文使用Abaqus软件,利用三维实体单元模拟气囊囊壁,使用rebar单元模拟帘线层建立气囊隔振器模型,可有效提高仿真模型准确度,并建立气囊囊体模型对其等效平衡缠绕角进行仿真分析。开展不同载荷下气囊刚度特性试验,对比气囊气压-载荷特性、垂向静刚度等参数仿真计算结果和试验结果,表明仿真精度较好。本文的研究成果对下一步气囊隔振器疲劳寿命与可靠性研究具有一定指导意义。     

大型邮轮中央大厅结构直接计算研究

[目的]中央大厅是邮轮上层建筑中一种重要空间功能性舱室,其结构具有板厚薄、跨度大、支撑少、载荷复杂等特点,为结构设计带来了较大的难度。亟需提出一种可靠便捷的中央大厅结构分析评估方法,用以指导结构设计工作。[方法]以中国船级社（CCS）《邮轮局部结构直接计算指南2021》为主要依据,结合中央大厅结构载荷特点,开展邮轮中央大厅结构直接计算研究。直接计算研究中,结构所受载荷被等效并简化为总纵弯矩载荷、垂向剪切载荷、以及局部甲板载重的叠加。[结果]结构直接计算结果与全船有限元仿真结果吻合较好,验证了将直接计算流程应用于邮轮中央大厅结构设计研究的可行性。[结论]研究结果可为大型邮轮中央大厅结构设计计算流程提供参考。     

压缩与剪切联合载荷作用下矩形板格的极限强度分析

当船舶在波浪中航行时,一般认为为船体结构基本单元的矩形板处于联合载荷作用之下,为了评估板单元在这种情况下的极限强度,讨论了矩形板在压缩与剪切应力联合作用下的特性。该研究分三步进行;第一步是运用伽辽金（Galerkin)法对板进行弹性屈曲分析;第二步是在材料刚塑性的假定下进行塑性破坏分析;第三步是综合弹、塑性分析的结果,进行极限强度分析。在整个分析中,对压缩与剪切应力在联合载荷中所占比例的不同情况进行了计算,而且还考虑了初始缺陷对于极限强度的影响。     

船体结构冰载荷的时域反卷积识别算法及信号采样周期选取

冰载荷是影响冰区船舶安全的重要环境载荷,可造成船舶结构的严重损毁或疲劳破坏.基于时域反卷积算法的识别模型可较好地考虑冰载荷的动载荷效应,但冰激应变信号的采样周期对其计算稳定性和识别精度影响较大.利用Green核函数建立船体外板结构冰载荷识别的正问题,并采用Tikhonov正则化算子和广义交叉验证法提升其求解稳定性.结合动态载荷识别信号采样周期选取原则、实测冰载荷数据和外板结构自振特性确定信号采样周期.通过构造分析不同频率施加载荷和不同噪声水平信号干扰的工况以评估选取采样周期的适用性.结果表明,其识别载荷可以较为准确地反映施加载荷的时程特征,且载荷识别精度良好.     

带有初始缺陷的船体结构极限强度研究

船体结构的初始缺陷主要有初始挠度和焊接残余应力,初始缺陷对于船体的极限强度有着重要的影响。针对目前初始缺陷的模拟较为复杂的问题,寻找一种初始缺陷的简化模拟方法,采用板弯曲理论反推并模拟初始挠度,运用基于固有应变的等效载荷法模拟焊接残余应力,在此基础上应用非线性有限元法建立计及初始缺陷的船体极限强度分析方法。计算结果表明,船体结构初始缺陷对船体结构的影响不可忽略,基于固有应变的等效载荷法可较好模拟焊接缺陷。     

船舶折角型节点的疲劳裂纹扩展计算

文章以船舶折角型节点为研究对象,运用有限元软件WALCS和PATRAN分别预报某船的水动力响应和结构热点应力响应.为避免计算表面裂纹应力强度因子时需要在PATRAN有限元模型中疲劳热点区域采用体单元建模,文中提出了一种计算波浪载荷下船海结构物三维表面裂纹应力强度因子而无需在PATRAN中建立体模型的方法,并通过与广泛认可的经验公式对比验证其精度.将此方法应用于该船船舯底边舱折角处表面裂纹应力强度因子计算,计算并总结出波浪载荷下该类节点处表面裂纹应力强度因子的无量纲计算经验公式.应用一种基于谱分析构建结构疲劳载荷谱的方法,结合单一曲线模型对该节点进行裂纹扩展计算.计算结果表明:该船船舯底边舱折角疲劳寿命不满足设计要求,建议对节点进行改进.     

波浪载荷对船舶柴油机振动的影响研究

为避免波浪载荷对柴油机运行造成安全性的影响,本文利用 AQWA软件计算波浪的动压力,采用APDL语言编写加载程序实行波浪载荷对船体的自动施加,研究在不同波浪高的情况下,柴油机受波浪载荷的谐响应作用。研究结果表明,如果激励频率过小,柴油机的振幅和应力都较大,发生共振作用,柴油机动力特性就会减弱,导致柴油机运行不稳定;如果激励频率过大,柴油机的振幅和应力会在极小值附近来回摆动,这样容易对柴油机整体造成简谐力的作用,柴油机会发生疲劳破坏。     

MSC．Dytran在LNG船泵塔结构设计中的应用

液体晃荡问题在工程实践中经常遇到,特别是在船舶领域,随着VLCC、ULCC、LNG、LPG等船舶的出现,晃荡对结构的影响和破坏成为该类船舶设计中必须要考虑的问题。目前晃荡问题的研究方法主要有实验方法和数值方法,这两种方法各有优缺点。利用MSC公司的瞬态动力学软件MSC.Dytran对LNG液舱横摇进行仿真模拟,对舱内泵塔结构进行晃荡载荷分析。旨在为实现大型LNG船泵塔的自主设计提供一种简单有效的方法。