冰区海上风机结构的冰激疲劳寿命分析

冰载荷是诱发冰区海上风机结构疲劳破坏的重要因素,通常采用加装抗冰锥体的方式将海冰的挤压破坏转化为弯曲破坏,从而减小峰值载荷并削弱冰激振动。针对锥体风机结构在冰载荷作用下的疲劳寿命开展分析。基于渤海辽东湾某海域的现场监测数据确定了有效冰期、冰厚、冰速等疲劳分析参数,在冰速0～100 cm/s、冰厚0～30 cm范围内均匀划分50种疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;采用具有粘结-破碎功能的球体离散单元构造海冰模型,计算风机与平整冰相互作用时的冰载荷时程及对应的热点应力;采用雨流计数法提取热点应力时程中的有效循环次数,根据S-N曲线和Miner线性累积损伤准则进一步计算其冰激疲劳寿命;最后将计算结果与通过锥体结构随机冰力函数构造冰载荷时程而得到的疲劳寿命相比较,验证了基于海冰离散单元模型的冰载荷时程构造方法的安全性与可靠性。     

海上混合式风机基础动力响应研究

针对海上风机的发展趋势,对一种混合式海上浮式风机基础的动力响应进行了研究。应用SESAM软件和FAST软件分别建立海上风机的下部浮式基础以及上部结构的数值模型,调用Aero Dyn程序包计算结构的空气动力载荷。分析系统的动态响应和基础的运动特性。改变筋腱预张力的大小,研究其对浮式基础运动响应的影响,为海上风机混合式基础的初步设计提供一定的理论依据。     

海上风机在三种风载荷作用下的疲劳分析方法研究

文章提出一种基于等效疲劳载荷的快速有效的结构优化设计方法,首先通过bladed模拟得到时域下的风载荷,然后通过雨流计数法则和等效损伤理论得到相应的疲劳载荷谱和等效疲劳载荷,接着以导管架式海上风机为例,利用AN-SYS对其进行三维建模,选取三种典型管节点和两种非管节点,基于热点应力法计算了其在三种风疲劳载荷作用下的疲劳损伤,通过比较三种载荷作用下的疲劳损伤结果,验证了等效疲劳载荷的可靠性.接着又计算了各等效疲劳载荷分量单独作用下的海上风机焊接节点的疲劳损伤,得出各疲劳载荷分量对疲劳总损伤的贡献,可以为设计者提供更好的载荷设计依据.相比于传统的时域疲劳分析方法和疲劳载荷谱方法,等效疲劳载荷方法更加方便有效.     

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.     

一种基于冰载荷引起的船体结构疲劳损伤分析方法

目前对基于冰载荷引起的船体结构强度问题已经发展的较为成熟,但是基于冰载荷引起的结构疲劳强度的研究比较少。针对该问题,如果有一种简化方法来指导早期的结构设计,对船舶设计者来说是很有现实意义的。本文对英国劳氏船级社发布的ShipRight FDA ICE_^[1]作概括性的介绍,旨在向读者介绍这一简单而高效的评估方法以及技术背景和注意要点等。最后文章根据这一方法给出数条油船和LNG船的算例,并验证通过该方法改善疲劳节点的可行性。     

导管架式海上风机基础频域疲劳分析

海上风机基础长期受到环境载荷作用,其管节点、过渡段等薄弱部位易产生疲劳破坏,需进行疲劳强度校核。通过有限元软件建立结构模型,参考DNVGL-RP-C203划分结构有限元网格。由AQWA计算波浪载荷,Bladed计算风机气动载荷,使用APDL命令流快速加载、求解并读取结构应力。采用谱分析方法计算载荷单独作用下的结构应力谱,使用谱叠加原理计算风浪同时作用下的结构应力谱,采用Dirlik解析式计算疲劳寿命,完成疲劳校核,并给出优化建议。     

10 MW级半潜漂浮式风机的动力响应

选取新型钢筋混凝土结构OO-Star半潜浮式风机平台展开研究,采用ANSYS/AQWA建立半潜浮式基础的水动力数值模型,研究该平台的水动力性能.同时建立水动力-锚泊系统耦合数值模型,开展10MW级大型海上漂浮式风机在风浪作用下的动力响应研究.结果 表明,OO-Star半潜浮式风机平台水动力性能优异,且在不同风浪荷载环境作用下,运动响应以及锚泊系统的张力响应较为合理,未来必将在大型海上漂浮式风机的开发领域占有一席之地.     

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。     

冰区航行船层冰作用下的结构响应

船冰碰撞是一个复杂的动力学过程,如何得到碰撞中的冰载荷一直是船舶碰撞研究领域的热点之一。本文分别建立300 000 t冰区航行船和层冰的有限元模型,基于弹塑性理论及非线性有限元理论,利用MSC.Dytran对其碰撞进行数值仿真,模拟了船首及层冰的接触碰撞过程,最终得到船冰碰撞过程中的碰撞力、船首结构响应、船航速变化及能量耗散等参数。分析船冰碰撞过程中的碰撞机理及特性,并对冰区航行船特别是其船壳提出结构加强的建议,为设计冰区航行船提供一定的参考。     

导管架式一体化风机在冰载荷作用下的耦合响应研究

海上风电是世界上发展最快的可再生能源之一.寒区蕴藏着丰富的风能资源,设计和建造用于结冰海域的风电结构的关键要求是其应具备一定的抗冰性能.本文研究了全耦合导管架式海上风力发电机在冰载荷作用下的结构动态响应;在数值仿真软件FAST中建立了一体化风机数值模型,该模型包含其空气动力属性、水动力属性、机械属性和结构弹性属性;研究了导管架风机基础的直立桩腿和加装了抗冰锥体后的桩腿的抗冰性能差异;并计算分析了不同冰厚和冰速对于风机动态响应的影响.结果表明:海冰厚度越大,导管架底座的结构响应和振荡幅度越大;海冰速度越大,其结构响应和振荡频率越快;导管架桩腿在安装抗冰锥体后的结构响应和振荡幅度明显降低.本文还计算分析得到了抗冰性能最佳的锥体角度.     

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。     

近海风机叶片动力特性分析

The topic of offshore wind energy is attracting more and more attention as the energy crisis heightens.The blades are the key components of offshore wind turbines,and their dynamic characteristics directly determine the effectiveness of offshore wind turbines.With different rotating speeds and blade length,the rotating blades generate various centrifugal stiffening effects.To directly analyze the centrifugal stiffening effect of blades,the Rayleigh energy method (REM) was used to derive the natural frequency equation of the blade,including the centrifugal stiffening effect and the axial force calculation formula.The axial force planes and the first to third order natural frequency planes which vary with the rotating speed and length were calculated in three-dimensional coordinates.The centrifugal stiffening coefficient was introduced to quantitatively study the relationship between the centrifugal stiffening degree and the rotating speed,and then the fundamental frequency correction formula was built based on the rotating speed and the blade length.The analysis results show that the calculation results of the fundamental frequency correction formula agree with the theoretical calculation results.The error of calculation results between them is less than 0.5%.     

Dynamic ice loads for offshore wind support structure design

For offshore wind farms which are planned in sub-arctic regions like the Baltic Sea and Bohai Bay, support structure design has to account for load effects from dynamic ice-structure interaction. There is relatively high uncertainty related to dynamic ice loads as little to no load- and response data of offshore wind turbines exposed to drifting ice exists. In the present study the potential for the development of ice-induced vibrations for an offshore wind turbine on monopile foundation is experimentally investigated. The experiments aimed to reproduce at scale the interaction of an idling and operational 14 MW turbine with ice representative of 50-year return period Southern Baltic Sea conditions. A real-time hybrid test setup was used to allow the incorporation of the specific modal properties of an offshore wind turbine at the ice action point, as well as virtual wind loading. The experiments showed that all known regimes of ice-induced vibrations develop depending on the magnitude of the ice drift speed. At low speed this is intermittent crushing and at intermediate speeds is ‘frequency lock-in’ in the second global bending mode of the turbine. For high ice speeds continuous brittle crushing was found. A new finding is the development of an interaction regime with a strongly amplified non-harmonic first-mode response of the structure, combined with higher modes after moments of global ice failure. The regime develops between speeds where intermittent crushing and frequency lock-in in the second global bending mode develop. The development of this regime can be related to the specific modal properties of the wind turbine, for which the second and third global bending mode can be easily excited at the ice action point. Preliminary numerical simulations with a phenomenological ice model coupled to a full wind turbine model show that intermittent crushing and the new regime result in the largest bending moments for a large part of the support structure. Frequency lock-in and continuous brittle crushing result in significantly smaller bending moments throughout the structure.     

Spar型海上浮式风机系泊系统的动力学分析

以美国某可再生能源所的海上5MW风机为模型,综合风机塔柱的特点,利用Orca Flex建立了一种Spar型海上风机简化模型。通过对风机平台的不同风速工况环境载荷的计算,实现了对该风机系泊系统的水动力学分析,对比并分析了不同工况下风机锚泊系统系泊张力的变化。结合改变锚链上不同导缆孔的位置和布置形式,为海上风机浮式基础系泊系统的设计及优化提供依据。     

考虑桩土非线性作用的近海风机高桩平台地震响应分析

分别建立全斜桩承台与全直桩承台三维有限元模型,研究了地震荷载作用下桩基的动力响应。考虑了地震引起的水体惯性力对动力响应的影响,并通过引入p-y曲线修正系数考虑了桩基倾斜对桩轴垂向桩土作用的影响。结果表明,在单桩的情况下,地震动水压力对桩基的弯矩与位移存在明显的放大效应;不同单桩的位移反应峰值发生在同一时刻,倾斜方向与峰值时刻地震加速度方向一致的桩承载性能最优。对于带承台的群桩,地震动水压力的放大效应没有单桩时明显,各个方位斜桩以及直桩之间弯矩与位移差异较小;直桩的位移峰值大于斜桩,而斜桩弯矩均较直桩在泥面以下处有一定的减小,但在承台交界面处较直桩更大。     

牵索锚固式海上风机基础结构设计与分析

海上风电开发中随着水深增加,传统的固定式风机基础的劣势逐步显现,建造成本也显著增加。本文提出了一种适用水深范围广、结构简单、刚度可调的新型牵索锚固式海上风机基础结构。结合海上风电场设计实践和经验,归纳了牵索锚固式海上风机基础的设计重点。以3MW海上风力发电机组为例,分析不同牵索结构设计参数对基础结构的影响,通过计算发现,索缆根数、夹角对结构位移影响显著,而对应力影响微弱,索缆牵拉位置对结构应力位移影响都很显著。分析牵索锚固式风机基础结构在工作荷载和环境荷载耦合作用下的力学性能,计算结果显示,牵索锚固式海上风机基础结构不会发生强度破坏,但位移可能超过使用限制。     

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。