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风电塔在地震和风荷载下的失效概率评估

工程科学与技术 2021年第2期53卷 38-44页

作者：戴靠山赵志孟家瑶四川大学建筑与环境学院四川成都610065 四川大学深地科学与工程教育部重点实验室四川成都610065 四川大学破坏力学与工程防灾减灾四川省重点实验室四川成都610065 同济大学土木工程学院上海200092

对某在役风电塔进行了地震和风荷载下的失效概率对比。首先,结合风电塔特有的设计使用年限对于特定地区下的地震和风的发生概率进行概率分析,得到灾害危险性曲线。接着,以壳体单元和梁单元建立了包含叶片和塔体的有限元模型,以地震反应... 详细信息

对某在役风电塔进行了地震和风荷载下的失效概率对比。首先,结合风电塔特有的设计使用年限对于特定地区下的地震和风的发生概率进行概率分析,得到灾害危险性曲线。接着,以壳体单元和梁单元建立了包含叶片和塔体的有限元模型,以地震反应谱和风谱为基准选择和生成多组时程记录,使用增量时程动力时程分析的方法,分别在地震和风荷载下,进行非线性有限元计算,得到该风电塔在两个灾种下的易损性曲线。最后,根据危险性和易损性分析结果,使用全概率公式,比较在地震和风两种不同灾种下的总体失效概率。结果表明,采用特定设计使用年限对风电塔危险性进行评估可以避免计算过于保守的问题。由于可变桨距,在风荷载和运转工况范围内,风电塔响应大致保持不变。另外,风荷载下风电塔的失效概率大于地震,一方面,因为风电塔的固有周期相对较长,位于地震反应谱的下降段,实际的地震响应比较低;另一方面,风电塔建设在风能的充沛区域,强风荷载的发生概率较大。本文考虑风电塔特有设计使用年限的概率分析对风电领域在多灾种下的概率评估提供了有益指导。

关键词：风电塔有限元危险性分析易损性分析地震风荷载

不同频谱特性地震动下某风电塔响应振动台试验研究

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工程科学与技术 2018年第3期50卷 125-133页

作者：戴靠山毛振西赵志王英孟家瑶赵晨希同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 四川大学土木工程系四川成都610065

为研究风电塔在不同频谱特性地震动下的响应规律,针对某风电塔设计缩尺模型开展大型振动台试验。对模型塔筒进行精细设计,实现结构自振特性与原型结构相似,同时对试验模型配置叶片和无级变速电机实现运转工况模拟。根据抗震设计规范给... 详细信息

为研究风电塔在不同频谱特性地震动下的响应规律,针对某风电塔设计缩尺模型开展大型振动台试验。对模型塔筒进行精细设计,实现结构自振特性与原型结构相似,同时对试验模型配置叶片和无级变速电机实现运转工况模拟。根据抗震设计规范给出的设计反应谱和特征周期,选择长周期地震动和短周期地震动各2条,以及经典地震动3条,并采用三角级数叠加法生成2条人工地震波,沿塔身3个不同方向进行输入,对塔顶和塔身的加速度和速度响应以及塔底应变响应进行测试,比较风电塔模型在不同地震动和不同输入条件下的响应差异。试验结果表明,风电塔结构主次方向地震响应具有耦合现象,同时表现出高阶振型效应。风电塔在不同频率成分地震动下的响应具有较大差别,长周期地震动对风电塔模型加速度和位移响应具有放大效应。此外,风电塔在不同地震动输入方向下的响应不同,地震动主方向沿叶片平面垂直方向输入和45°方向输入下的响应较大。

关键词：风电塔地震振动台试验地震动特性响应规律

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运转工况下风电塔抗震分析

工程科学学报 2017年第10期39卷 1598-1605页

作者：戴靠山赵志易正翔盛超同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室(四川大学) 成都610065 加州大学洛杉矶分校土木与环境工程学院洛杉矶90025

为了研究运转工况下风电塔的地震响应及倒塔模式,使用风电塔设计软件FAST建立风电塔模型,比较停机和运转不同工况下的结构响应,并在运转工况下通过改变地震动输入方向研究不同风震组合角对结构响应的影响,得到最不利工况;使用ABAQUS建... 详细信息

为了研究运转工况下风电塔的地震响应及倒塔模式,使用风电塔设计软件FAST建立风电塔模型,比较停机和运转不同工况下的结构响应,并在运转工况下通过改变地震动输入方向研究不同风震组合角对结构响应的影响,得到最不利工况;使用ABAQUS建立风电塔的精细化有限元模型,将FAST计算的塔顶风荷载导入ABAQUS开展分析计算.将基于叶素理论计算的塔顶荷载与FAST计算结果进行对比,并进一步将弹性阶段ABAQUS与FAST模拟的塔顶位移进行对比,校验分析方法的合理性.利用ABAQUS模型将地震动调幅,开展倒塔模拟.研究结果表明运转工况下最不利风震组合角是90°,强震下塑性铰在塔身下部出现并向中上部发展,最终该风电塔在中上部发生破坏.

关键词：风电塔风震组合抗震分析运转工况倒塔模拟

考虑土―结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析

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工程科学学报 2017年第9期39卷 1436-1442页

作者：戴靠山毛振西张玉林赵志梁发云同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 四川大学能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室成都610065

针对某陆上风电场1.5 MW风电塔结构,建立了"塔筒―基础―地基"整体三维精细有限元模型,研究土―结构相互作用对风机运转状态下风电塔结构地震动力响应的影响规律.在风机运转状态下,使用FAST程序把风速时程转化为风荷载时程输入模型,并使... 详细信息

针对某陆上风电场1.5 MW风电塔结构,建立了"塔筒―基础―地基"整体三维精细有限元模型,研究土―结构相互作用对风机运转状态下风电塔结构地震动力响应的影响规律.在风机运转状态下,使用FAST程序把风速时程转化为风荷载时程输入模型,并使用EERA程序进行土层地震反应分析得到模型土层底部的地震波,作为地震激励进行输入,对风电塔进行模态分析并计算风电塔地震动力响应.研究表明,考虑土―结构相互作用效应会引起风电塔体系自振频率降低,并显著增加风电塔的结构动力响应.

关键词：风电塔地震响应土―结构相互作用有限元分析

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高柔风电塔残余振动控制优化设计

大连理工大学学报 2018年第6期58卷 551-558页

作者：鲁一南程耿东刘晓峰大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024 北京金风科创风电设备有限公司北京100176

高柔风电塔在紧急停机后因共振往往会发生长时间且激烈的残余振动,严重影响风电塔的运行安全.为了确保风电塔的安全运行,提出基于残余振动控制的多约束单管型风电塔的优化方法.由于降低风电塔建造成本的重要性,以最小化材料体积为目标函... 详细信息

高柔风电塔在紧急停机后因共振往往会发生长时间且激烈的残余振动,严重影响风电塔的运行安全.为了确保风电塔的安全运行,提出基于残余振动控制的多约束单管型风电塔的优化方法.由于降低风电塔建造成本的重要性,以最小化材料体积为目标函数,按照将塔架设计成柔性塔的要求设定塔架的固有频率约束,将停机激励下的残余振动降低比例作为约束.为了避免计算残余振动及其灵敏度所需的耗时瞬态动力学分析,采用二次型积分形式的性能指标衡量结构的残余振动.基于李雅普诺夫第二方法实现了对上述性能指标及其灵敏度计算的大幅简化.同时,考虑到风电塔设计中也需考虑塔顶位移约束,为了计算塔顶位移,采用专业软件Bladed得到紧急停机工况下的风荷载.比较了采用塔顶位移约束和残余振动约束的优化结果,同时对阻尼器的分布进行拓扑优化,为高柔风电塔的设计研究提供了一定的参考.

关键词：风电塔柔性塔优化设计残余振动紧急停机

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适用于风电塔抗震设计的低阻尼反应谱

地震工程与工程振动 2013年第6期33卷 40-46页

作者：戴靠山公常清黄益超任晓崧同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所上海200092

风电塔结构阻尼比较低,超出常规土木建筑结构阻尼比的范围,抗震规范所提供反应谱对于此类低阻尼结构的适用性具有一定的局限。为发展适合于风电塔结构抗震设计的低阻尼反应谱,本文从随机理论出发,通过构造相当数量的与规范5%阻尼比标准... 详细信息

风电塔结构阻尼比较低,超出常规土木建筑结构阻尼比的范围,抗震规范所提供反应谱对于此类低阻尼结构的适用性具有一定的局限。为发展适合于风电塔结构抗震设计的低阻尼反应谱,本文从随机理论出发,通过构造相当数量的与规范5%阻尼比标准反应谱在均值意义上兼容的人工波样本,在考虑等效平稳持时对低阻尼比反应谱影响的基础上,提出了0.5%、1%和1.5%三种低阻尼反应谱的阻尼比修正系数。最后,使用实际地震记录对本文提出的阻尼比修正系数进行了对比验证,确定了其可靠性。本文提出基于等效平稳持时的阻尼比修正系数的研究思路,可为风电塔等低阻尼结构体系的抗震设计分析提供参考。

关键词：低阻尼结构反应谱随机振动人工波风电塔

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风电塔非线性地震动力响应规律与极限值评价

北京科技大学学报 2013年第10期35卷 1382-1389页

作者：宋波曾洁北京科技大学土木与环境工程学院北京100083

基于一轮毂高度为50.41 m的实际陆上风电塔结构,运用ANSYS有限元分析软件以及时程分析法对结构进行不同地震动作用下的非线性动力响应影响规律研究,并进一步探讨了结构在正常使用极限状态、塑性极限状态、残余位移条件控制下的水平位移... 详细信息

基于一轮毂高度为50.41 m的实际陆上风电塔结构,运用ANSYS有限元分析软件以及时程分析法对结构进行不同地震动作用下的非线性动力响应影响规律研究,并进一步探讨了结构在正常使用极限状态、塑性极限状态、残余位移条件控制下的水平位移与应力极限值,计算了响应的地震动临界峰值,对结构的整体抗震性能进行了评价.研究结果表明:板块边界型地震动对风电塔这种高耸柔性结构的动力响应影响最大,在极限值评价和结构抗震性能评价中占主导地位;该风电塔的正常使用极限状态为第一极限状态.

关键词：地震响应动力响应非线性分析极限状态风电塔

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基于频率控制的多约束风电塔优化方法

大连理工大学学报 2016年第6期56卷 551-560页

作者：程耿东徐向东刘晓峰大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024 北京金风科创风电设备有限公司北京100176

提出了基于频率控制的多约束单管型风电塔优化方法.塔架简化成悬臂梁结构,其横截面参数作为设计变量,以最小化材料体积为目标函数,按照将塔架设计成刚-刚或刚-柔或柔-柔不同类型的要求设定塔架的固有频率约束,采用专业软件Bladed计算风... 详细信息

提出了基于频率控制的多约束单管型风电塔优化方法.塔架简化成悬臂梁结构,其横截面参数作为设计变量,以最小化材料体积为目标函数,按照将塔架设计成刚-刚或刚-柔或柔-柔不同类型的要求设定塔架的固有频率约束,采用专业软件Bladed计算风荷载,按照风电塔规范考虑强度、稳定性和疲劳等约束,这使得优化结构更符合实际设计.考虑到采用Bladed荷载计算工作量很大,整个优化过程分为几个阶段,在每个阶段的开始,以前一个阶段的优化设计作为初始设计,并重新计算结构荷载,在该阶段内于固定荷载下用移动渐近线法(MMA)求解优化问题改进设计,所需的固有频率、强度及疲劳约束灵敏度采用解析法获得.对一现有塔架进行优化以说明方法的有效性.根据塔架固有频率和风机工作转速之间的关系,发展了高风电塔的分类.在此基础上,结合提出的优化方法,可以帮助设计者判定在指定高度和机型下哪种类型塔架更合适,为塔架概念设计提供有价值的参考.

关键词：风电塔优化设计多约束

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某1.5MW风电塔振动台缩尺模型设计

世界地震工程 2018年第4期34卷 191-198页

作者：孟家瑶戴靠山毛振西王英赵志同济大学土木工程防灾重点国家试验室上海200092 四川大学土木工程系成都610065

风电塔是一种顶部有较大偏心质量的高耸薄壁悬臂结构,以某1.5MW水平轴三叶片风电塔为研究对象,重点关注风电塔振动台试验缩尺模型设计。根据量纲分析理论和相似条件,基于模型质量分布和刚度分布等效原则,设计模型塔筒截面及附加质量,保... 详细信息

风电塔是一种顶部有较大偏心质量的高耸薄壁悬臂结构,以某1.5MW水平轴三叶片风电塔为研究对象,重点关注风电塔振动台试验缩尺模型设计。根据量纲分析理论和相似条件,基于模型质量分布和刚度分布等效原则,设计模型塔筒截面及附加质量,保证模型与原型结构自振频率和振型相似。通过对比分析模型动力特性测试结果与原型实测结果,验证了该模型设计方法的合理性,可为同类型风电塔振动台试验设计提供参考与依据。针对该柔性对称高塔模型在动力特性测试中出现的正交耦合振动及拍振现象也进行了详细阐述。

关键词：风电塔振动台试验模型缩尺设计动力特性测试耦合振动