风机基础动力分析及疲劳评价研究

作     者：祝军 

作者单位：沈阳建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵俭斌

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：风机基础 基础环 阻尼 有限元 动力分析 疲劳评价 

摘      要：随着我国经济的快速发展,对能源的需求量不断增加,能源问题日益突出。我国的风电资源丰富,是解决能源短缺的有效途径。在风机长达20年的寿命期内,风机基础承受着外界复杂环境荷载所引起的上部塔架的振动以及风轮运转过程中所产生的振动,其承载机理十分复杂。在循环荷载的长期作用下,基础容易发生破坏,进而导致风机结构整体失效。作为风机的重要支撑构件,基于风机现场自然条件准确地对基础关键节点进行损伤评估是保障风机结构长期安全运行的关键。针对此问题,本文开展了以下工作:1、总结风机结构动力分析以及基础钢结构和混凝土疲劳损伤理论以及分析方法,并对广泛应用的S-N曲线以及Miner线性累积损伤理论进行了重点的介绍与分析。对不同环境激励下风机模态识别理论进行总结与比较。为风机基础的动力分析以及损伤评估提供理论基础。2、对某风电场风机进行长期监测,获得其振动以及应变数据。基于MATLAB对随机风速进行模拟以及风荷载进行计算。对有限元软件COMSOL Multiphysics构建的风机塔筒-基础环-基础整体模型进行动力分析。用监测所获实测数据对分析结果进行对比验证以此检验有限元模型的准确性。结果表明:实测数据与有限元模型动力分析结果吻合良好,构建的有限元模型可以准确地模拟风机结构的实际情况。3、基于有限元软件COMSOL Multiphysics三维实体单元构建的风机塔筒-基础环-基础整体模型,对风机基础关键节点在不同风速以及风向下的动力响应进行分析。探究阻尼对风机基础动力响应计算的影响。结果表明:阻尼对动力响应计算有很大影响,阻尼越大,瞬态动力响应越小;和材料阻尼相比,空气粘性阻尼对基础的动力响应影响更大,基础材料阻尼对动力响应的影响比钢材料阻尼要大。4、采用S-N曲线和Miner线性累积损伤理论的疲劳计算方法,基于COMSOL Multiphysics疲劳模块,对基础易损点进行寿命周期内的疲劳损伤计算。计算结合风机现场实际风速-风向分布概率,考虑了不同风速、风向对基础易损点的影响。结果表明,基础关键节点在寿命周期内最容易损伤的位置是风向为N时的S点处。在寿命周期内,上法兰处损伤值为9.81 ×10-2,下法兰处损伤值为7.34×10-4,下法兰混凝土损伤值为1.36×10-1。在计算风机基础关键节点的损伤值时,不能仅仅考虑主风向对其的损伤,同样要考虑其他风向对易损点的损伤。