多维地震动下固定式海上风力机结构耦合动力响应研究

作     者：马江波 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李志军;胡大伟;李晓鸿

授予年度：2023年

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

主      题：多维地震动 降维动力学模型 耦合动力方程 风浪荷载 固定式海上风力机 

摘      要：“十四五时期是我国推进“四个革命,一个合作能源发展战略的重要时期。风电是对风能资源有效利用的重要形式,是我国实现能源可持续发展的重要依托之一,其发展前景十分广阔。近年来在我国风能源较为丰富的陆上地区随处可见风力发电机,但陆上风力发电机也存在着许多缺点,例如受到区域的限制陆上风力机通常要布置在风能储存较为丰富的地方,同时陆上风力机还会影响到附近居民的生活。我国海域风能蕴藏非常丰富,潜力巨大,且靠近东部负荷中心,就地消纳方便,大规模发展海上风电将成为我国深入推进能源转型、促进大气污染防治的重要手段之一。海上风力机相较于陆上风力机受到的环境荷载更为复杂,除了像陆上风力机一样受到风荷载与地震荷载之外还会受到波浪荷载,同时对于我国一些近海海域风电场的规划和建设时需要将地震动对风力机的破坏影响考虑在内,而现有海上风力机设计时对于地震动荷载的影响考虑不足。由于实际地震动荷载的多维空间特性,多维地震动作用下的耦合效应对于海上风力机结构响应的影响不可忽视,但目前多维地震动下海上风力机的动力特性研究较少,因而研究海上风力机在多维地震动作用下的动力特性,用来为海上风力机结构抗震设计提供参考很有必要。考虑到目前5MW大型风力机大规模应用于我国海上风力机市场,本文以该典型大型风力机结构为研究对象,深入研究多维地震动下大型海上风力机结构的动力特性,主要研究成果包括:(1)采用Solidworks软件建立5MW海上风力机的实体模型,再使用Solidworks和大型有限元分析软件之间的接口,完成将Solidworks软件中建好的风力机实体模型导入ANSYS中,进行叶片等风力机复杂部分的精细化建模,并使用ANSYS有限元软件对模型进行模态分析,并提取需要的参数,如风力机各个部位的质量与刚度等参数值来进行后续的动力学模型建立。模态分析结果显示本文所建的5MW风力机的叶片、塔筒,以及风力机整体的固有频率与FAST中的5MW风力机的固有频率误差均小于10%。(2)基于Lagrange方程,将风力机系统的复杂结构简化为14个自由度的降维结构耦合动力学模型。该模型考虑了风荷载和波浪荷载作用对结构的影响,可以较为准确地描述结构的动态响应特性。其次,本文应用虚功原理推导出了各种荷载的广义矢量,其中包括气动荷载、水动力荷载、地震荷载等。本文简化的海上风力机模型在保证结构耦合特性和模型整体准确性的前提下,能更好的缩短计算时间,并得到准确的结果。理论分析结果验证了降维动力学模型的准确性,与IEC文献中模型进行对比,两者的固有频率相差不超过10%。(3)采用MATLAB软件,基于整体简化耦合模型,选取幅值均为0.15g的四种不同类型地震动。并依据地震动施加方向,施加地震动,研究多维地震动下风力机的叶片以及塔筒等主要受力构件的动力特性,仿真分析结果表明在多维地震动下风力机的叶片在挥舞方向的位移与拍打方向的位移量相差较大,四种地震动下的叶尖拍打方向位移都大于挥舞方向的位移。同时四种地震动中Northridge地震动会激发塔筒的高阶频率。(4)基于空气动力学、水动力学的相关计算理论以及结构动力学理论,结合风力机叶片、塔筒模型计算出所对应荷载的大小,探究了风力机在单独风荷载和波浪荷载作用下,以及风浪地震荷载作用下的动力响应。结果显示风浪荷载导致的叶尖位移大于本文所选地震动下的叶尖位移,同时叶片在风荷载下的振动受到风力机整体一阶模态的影响。风浪地震荷载作用下的叶尖位移显著受到风浪荷载的影响。