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风浪联合作用下海上风力涡轮机的碰撞阻尼减振控制

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振动与冲击 2021年第3期40卷 19-27页

作者：孔凡夏红兵孙超李书进武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070 路易斯安那州立大学土木与环境工程系巴吞鲁日70803 中信建筑设计研究总院有限公司武汉430014

提出利用碰撞调谐质量阻尼器(Pounding Tuned Mass Damper,PTMD)控制近海单桩风力涡轮机塔身在风浪联合作用下的结构振动。为此,利用拉格朗日方程推导风浪联合作用下风机与PTMD的耦合动力方程并据此分析了相关控制效果。具体而言,结构... 详细信息

提出利用碰撞调谐质量阻尼器(Pounding Tuned Mass Damper,PTMD)控制近海单桩风力涡轮机塔身在风浪联合作用下的结构振动。为此,利用拉格朗日方程推导风浪联合作用下风机与PTMD的耦合动力方程并据此分析了相关控制效果。具体而言,结构模型方面,以美国国家可再生能源实验室(NREL)的5 MW基准单桩海上风力涡轮机为研究对象,利用非线性黏弹性模型描述阻尼装置的碰撞过程,并在塔体模型中考虑基础土壤效应。风浪外荷载方面,采用考虑普朗特叶尖损失因子(Prandtl’s Tip Loss Factor)和格劳厄特校正(Glauert Correction)的叶素动量法计算风湍流作用在叶片上的气动荷载,并利用Morison方程计算满足JONSWAP谱的随机波浪荷载。研究发现,碰撞调谐质量阻尼器对塔顶响应的控制效果较好;引入的碰撞机制使调谐质量阻尼器鲁棒性提高,使之在参数失调的情况下仍能保持较好的振动控制效果。

关键词：近海风机被动控制碰撞调谐质量阻尼器风浪联合作用

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风浪联合作用下多台浮式风机的数值模拟

船舶工程 2022年第12期44卷 157-165页

作者：陈殿辉李建国田依农洪炫宇陈融上海电机学院电气学院上海201306 哈尔滨工程大学机电工程学院哈尔滨150001 北京天润新能投资有限公司北京100020

以3台串列排布的NREL-5 MW半潜式浮式风机为研究对象,采用FAST.Farm软件对其进行全耦合仿真,通过设定不同风浪联合作用的工况,分析不同风浪联合作用下多台浮式风机的发电功率以及载荷变化情况。结果表明:在湍流风和不规则波联合作用下,... 详细信息

以3台串列排布的NREL-5 MW半潜式浮式风机为研究对象,采用FAST.Farm软件对其进行全耦合仿真,通过设定不同风浪联合作用的工况,分析不同风浪联合作用下多台浮式风机的发电功率以及载荷变化情况。结果表明:在湍流风和不规则波联合作用下,当实际风速低于额定风速时,下游风机在上游风机尾流干扰下致使发电功率和载荷波动较大;当实际风速大于或等于额定风速时,下游风机的发电功率和载荷波动较小,基本不受上游风机的尾流干扰。结果验证了浮式风机更适合深海高风浪区域,可为今后建立深海海上风电场提供参考。

关键词：串列排布风浪联合作用半潜式浮式风机发电功率载荷

风浪联合作用下海上风电机组塔筒疲劳寿命分析

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机械设计 2022年第S02期39卷 145-149页

作者：黄中华代兵陈晋豪阳雪兵许欣谢雅湖南工程学院机械工程学院湖南湘潭411104 哈电风能有限公司湖南湘潭411101

为获取某型8 MW海上风电机组塔筒疲劳寿命,开展了风浪载荷联合作用下塔筒疲劳损伤特性分析。给出了塔筒在单位循环时间内不同工况下疲劳损伤度计算方法。基于疲劳损伤线性扩展理论,计算了塔筒在不同工况下的年疲劳损伤度,进而得到塔筒... 详细信息

为获取某型8 MW海上风电机组塔筒疲劳寿命,开展了风浪载荷联合作用下塔筒疲劳损伤特性分析。给出了塔筒在单位循环时间内不同工况下疲劳损伤度计算方法。基于疲劳损伤线性扩展理论,计算了塔筒在不同工况下的年疲劳损伤度,进而得到塔筒的疲劳寿命。计算结果表明,采用理想S-N曲线时,塔筒的疲劳寿命为31.2年,大于设计寿命25年。分析了平均应力、粗糙度和结构尺寸对S-N曲线的影响。当平均应力修正选取Goodman方法,粗糙度系数取为0.473,尺寸修正系数取为0.639时,塔筒的疲劳寿命为26.7年,下降了14%。计算了不同粗糙度下塔筒的疲劳寿命。计算结果表明:随着粗糙度系数的减小,塔筒的疲劳寿命随之减少,当粗糙度系数为0.287时,塔筒疲劳寿命值约为25年。

关键词：海上风电机组塔筒疲劳寿命风浪联合作用

风浪联合作用下深水半潜平台耐波性能的数值模拟

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舰船科学技术 2024年第2期46卷 101-105页

作者：莫文渊邱立国海南大学海洋科学与工程学院海南海口570228 海南省海洋与渔业科学院海南海口571126

通过数值模拟方法,研究风浪联合作用下深水半潜平台的耐波性能。该方法通过建立风速与波浪相干函数模型,利用该模型获得当前深水半潜平台不同工况下风速与海浪的关系,再计算风浪联合作用下深水半潜平台的海浪作用力和风作用力,以2个数... 详细信息

通过数值模拟方法,研究风浪联合作用下深水半潜平台的耐波性能。该方法通过建立风速与波浪相干函数模型,利用该模型获得当前深水半潜平台不同工况下风速与海浪的关系,再计算风浪联合作用下深水半潜平台的海浪作用力和风作用力,以2个数值为基础,构建深水半潜平台耐波性能数值模拟模型,在不同情况下模拟风浪联合作用下深水半潜平台耐波性能。实验结果表明:该方法可在不同波浪周期时,模拟风浪联合作用下深水半潜平台的横荡和垂荡数值,在波浪周期较小时,垂荡与横荡数值也较小,深水半潜平台的耐波能力较强;风浪角越大,在波浪周期相同时深水半潜平台的垂向弯矩数值越大,其耐波能力则较小。

关键词：深水半潜平台风浪联合作用耐波性能风速波浪周期数值模拟

风浪联合作用下的钢格构式基础海上浮式风机耦合动力响应分析

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建筑钢结构进展 2021年第3期23卷 85-96页

作者：张浩王宇航闫渤文周绪红重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045

结合半潜式和单立柱式海上风机浮式基础的特点,提出了一种用于海上风机的新型钢格构式基础。首先,根据美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)提供的5 MW海上风机样机对提出的新型浮式基础进行了结构设计。然... 详细信息

结合半潜式和单立柱式海上风机浮式基础的特点,提出了一种用于海上风机的新型钢格构式基础。首先,根据美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)提供的5 MW海上风机样机对提出的新型浮式基础进行了结构设计。然后,采用水动力-空气动力-控制系统-系泊系统耦合方法对风-浪联合作用下的新型海上浮式风机的动力响应进行了分析。结果表明:钢格构式浮式基础的纵荡运动主要受风速变化影响,纵摇运动受风速-波浪变化的显著影响,而垂荡运动主要受波浪变化控制。与单立柱式浮式风机相比,钢格构式基础海上浮式风机的纵摇、横摇及艏摇响应更小,具有更好的稳定性,对比结果表明提出的钢格构式浮式基础是一种适用于深海环境下海上风机的新型浮式基础。

关键词：钢格构式基础海上浮式风机耦合动力响应风浪联合作用

风浪联合作用下大跨度斜拉-悬索协作体系桥梁抖振响应时域分析

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风浪联合作用下大跨度斜拉-悬索协作体系桥梁抖振响应时域分析

作者：杨镇宇西南交通大学

学位级别：硕士

随着科学技术与工程技术的不断发展,我国桥梁建设事业取得了巨大成就。桥梁跨度被不断的刷新,同时,桥梁在施工和运营阶段对复杂自然环境的抵抗能力也越来越强,大跨度跨海桥梁便是这类桥梁的典型代表之一。大跨度桥梁多采用斜拉桥或悬索... 详细信息

随着科学技术与工程技术的不断发展,我国桥梁建设事业取得了巨大成就。桥梁跨度被不断的刷新,同时,桥梁在施工和运营阶段对复杂自然环境的抵抗能力也越来越强,大跨度跨海桥梁便是这类桥梁的典型代表之一。大跨度桥梁多采用斜拉桥或悬索桥,斜拉桥与悬索桥可统称为缆索体系桥梁,前者整体刚度较大,抗风稳定性好,后者跨越能力大,施工难度较小,而斜拉-悬索协作体系桥梁可将前两者的优势结合起来,在我国跨海桥梁建设中更具有优越性。斜拉-悬索协作体系桥与斜拉桥和悬索桥相比在荷载分布和传力途径上均有所不同,尤其在风浪场共同作用的复杂环境中,其动力响应问题更为突出,因此,研究风浪联合作用下大跨斜拉-悬索协作体系桥梁的动力响应是很有必要的。抖振是大跨桥梁风致振动中发生频率较高的振动。在风浪联合作用下,计算桥梁抖振响应需要考虑风浪场的耦合。本文以某超大跨度公铁两用斜拉-悬索协作体系桥梁为工程实例,研究了桥梁在风浪联合作用下的抖振响应。主要研究内容包括:(1)根据桥址处水文资料拟定本次研究的波浪参数,在流体计算软件FLOW-3D中建立数值水槽,对斜拉-悬索协作体系桥梁下部复合基础所受波浪力进行计算。(2)依据桥址处气象资料确定桥梁所处风场的基本参数,对斜拉-悬索协作体系桥梁三维风场进行简化,采用谐波合成法实现桥梁脉动风场的模拟。通过风洞与浪槽联合试验获得分体式三箱主梁在风浪耦合场中的气动力系数,并利用CFD数值模拟得到主塔、辅助墩和主缆的气动力系数。(3)基于大型有限元软件ANSYS建立斜拉-悬索协作体系桥梁全桥有限元模型,并求解其动力特性。利用风浪耦合场中及CFD数值模拟获得的气动力系数将抖振力和气动自激力时域化,并同静风荷载、波浪荷载一道加载至桥梁有限模型相应节点进行抖振响应分析。(4)分析了单风、单浪和风浪联合作用时桥梁的抖振响应差异,发现主梁主要发生横弯,其抗竖弯性能和抗扭转性能较好;主梁受风荷载影响较大,而主塔主要受波浪荷载影响。(5)对比了不同波浪类型与风联合作用下桥梁抖振位移响应结果,发现随机波与风联合作用时桥梁位移响应更大;研究了波高(有效波高)对桥梁抖振位移响应的影响,发现主梁横桥向和扭转向位移响应受波高影响较大,竖桥向影响较小;分析了主梁气动力分别取其时程曲线峰值平均值、整体平均值和谷值平均值时主梁的抖振位移响应规律,发现不同气动力系数的取值对主梁横桥向位移响应影响较小,对主梁竖桥向及扭转向位移响应影响较大。

关键词：斜拉-悬索协作体系桥梁分体式三箱主梁风浪联合作用抖振响应时域分析

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风浪联合作用下大跨度桥梁动力响应频域分析

风浪联合作用下大跨度桥梁动力响应频域分析

作者：周远洲西南交通大学

学位级别：硕士

近年,随着我国“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的实施,我国交通工程建设从内陆逐渐发展到近海,大跨度海洋桥梁的建设具有重要的意义。相比于内陆,海洋环境复杂多变,海洋桥梁往往需要面对大风和大浪的侵袭。同时,随着未来海洋桥梁不... 详细信息

近年,随着我国“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的实施,我国交通工程建设从内陆逐渐发展到近海,大跨度海洋桥梁的建设具有重要的意义。相比于内陆,海洋环境复杂多变,海洋桥梁往往需要面对大风和大浪的侵袭。同时,随着未来海洋桥梁不断向远海延伸,桥梁跨度的不断增加,桥梁整体刚度的下降,桥址区恶劣的风浪条件对大跨桥梁的建设提出了新的挑战。针对风浪联合作用下大跨度海洋桥梁的动力响应问题,有必要建立一种高效、准确的动力性能评估方法,文本进行了以下研究:(1)考虑到风浪联合作用下桥梁动力时域分析效率低下的缺点,本研究基于模态叠加法构建了一种风浪联合作用下桥梁动力响应频域分析方法。该方法同时考虑了气动弹性和水动力效应,采用修正的准定常抖振模型来考虑脉动风对主梁及桥塔的影响,并考虑了气动刚度与气动阻尼;采用基于边界元法的三维绕射理论来计算波浪作用。最后通过模态叠加频域求解得到风浪联合作用下的桥梁响应。(2)针对提出的风浪联合作用下桥梁动力响应频域分析方法,开展了一系列的验证。以某大尺度圆端型沉井为对象,分别采用解析方法、行业规范、基于边界元方法的绕射理论和CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对结构波浪荷载峰值,频谱以及非线性效应进行了计算与比较,验证了输入波浪荷载的准确性;通过风浪联合作用下的直立弹性圆柱模型试验,计算比较顶部位移、底部剪力和力矩的均方根(RMS)验证了频域方法和编写程序的正确性。以某施工阶段的独立桥塔为案例,采用该频域方法对其在风浪联合作用下的响应情况进行计算分析,并对求解方法、频率分辨率及波浪谱的影响进行了分析讨论。(3)基于该频域分析方法对某大跨度跨海斜拉桥在极端风浪条件下的动力响应进行了计算分析。讨论了不同风浪荷载组合的响应,明确了全桥不同位置响应的风浪主导荷载及作用机理;研究了不同保留模态计算对结构响应的影响,对于主梁、塔顶和桩基不同位置处的位移、内力响应情况分别推荐了合适的保留模态;明确了不同风浪方向桥梁各位置的最不利组合;明确了非线性波浪荷载对大跨度桥梁响应的贡献规律与机理。(4)基于桥址区风浪实测资料,对台风及良态风浪期间桥址区平均风速、有效波高和波周期等风特性和波浪特性进行了分析,明确了其变化趋势并建立了合理的边缘分布。根据这些风浪实测参数进而对台风期间及良态风浪期间的大跨度桥梁响应进行计算,研究这两种条件全过程的响应变化趋势及频谱变化情况;基于Copula函数与逆一阶可靠度方法分别建立了风速、有效波高和有效波高、有效波周期的联合分布模型,明确了环境联合分布下大跨度桥梁响应面。

关键词：大跨度桥梁频域分析风浪联合作用 Copula 随机动力响应

风浪联合作用下复杂构型平台极限承载力评估分析研究

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风浪联合作用下复杂构型平台极限承载力评估分析研究

作者：王丙佳哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着世界各国对海洋开发力度的加大，未来海洋工程领域中海洋平台的重要性与日俱增。由于海洋平台具有复杂的构型以及其所受载荷的多样性，故对海洋平台结构的强度评估是其结构安全性的重要保证。本文以结构完整的复杂构型海洋平台为研... 详细信息

随着世界各国对海洋开发力度的加大，未来海洋工程领域中海洋平台的重要性与日俱增。由于海洋平台具有复杂的构型以及其所受载荷的多样性，故对海洋平台结构的强度评估是其结构安全性的重要保证。本文以结构完整的复杂构型海洋平台为研究对象，对其在风浪联合载荷作用下的结构载荷响应、屈服强度、复杂载荷作用下的结构极限承载力进行分析与研究，最终对计算结果进行归纳。主要研究内容与研究结论包括:　　(1)开展了复杂构型平台的环境载荷研究，结合结构本身的特点，分别按照规范的要求及三维线性水动力法分析了极端工况之下的风载荷与波浪载荷响应，确定了危险工况的具体参数。对三个极限工况下的复杂构型平台进行屈服强度校核，根据计算结果确定了平台的危险结构，并对极端工况下的应力分布模式进行了分析。　　(2)针对复杂构型平台的极限承载力计算开展了技术化研究，对比研究了不同的计算对计算精度的影响。采用准静态法对处于无损状态时的整体平台结构在三种极限工况（横向弯矩、纵向弯矩、扭矩）下的极限承载力分别进行了研究，得到了不同失效模式与其相应的极限承载力数值，对结构在不同工况下的逐步破坏行为与应力分布规律进行了分析。　　(3)提出了复杂构型平台在复合载荷作用下的极限承载力计算方法，分析了弯扭载荷不同组合比例对承载能力的影响。对复杂构型平台在三种载荷（横向弯矩、纵向弯矩、扭矩）联合作用下的极限承载力、逐步破坏行为、失效模式开展了研究。并基于得到的极限承载力值改良了描述结构在复合载荷作用下的极限承载力安全区域的公式，并进行了实际应用上的讨论。　　论文对复杂构型平台的载荷响应进行了不确定性分析，研究了复杂构型平台的薄弱部位以及主要失效模式，同时分析了其在单一载荷与复合载荷作用下的极限承载力，形成了一套复杂构型平台在复合载荷作用下的极限承载力评估分析流程。研究成果对平台结构设计及可靠性校核具有一定意义。

关键词：复杂构型海洋平台极限承载力强度评估风浪联合作用

风浪联合作用下驳船型海上浮式风机的PTMD减振控制

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武汉理工大学学报 2023年第8期45卷 88-94,132页

作者：陈玲霜李书进孔凡武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009

提出通过碰撞调谐质量阻尼器(PTMD)抑制海上驳船型漂浮式风机在风浪作用下的系统面内振动响应。首先,以ITI Energy Barge浮式平台为下部支撑,搭载美国国家可再生能源实验室(NREL)提出的5MW风机为研究对象,建立16-DOF全耦合动力模型,并与... 详细信息

提出通过碰撞调谐质量阻尼器(PTMD)抑制海上驳船型漂浮式风机在风浪作用下的系统面内振动响应。首先,以ITI Energy Barge浮式平台为下部支撑,搭载美国国家可再生能源实验室(NREL)提出的5MW风机为研究对象,建立16-DOF全耦合动力模型,并与OpenFAST对比验证准确性。利用考虑Prandtl修正和Glauert修正的叶素动量理论计算风荷载导致的气动力,通过线性势流理论计算波浪力,准静态法计算系泊力,发电机采用恒功率策略并搭配叶片集体变桨控制。而后进一步引入非线性粘弹性碰撞模型,研究置于机舱中的PTMD对Barge型浮式风机面内振动响应的控制效果,并对碰撞参数进行优化。结果表明,PTMD对浮式风机平台横摇和塔架纵向位移有显著减振抑制作用,同时对振子行程有着较好的约束能力。

关键词：驳船式海上漂浮式风机被动控制碰撞调谐质量阻尼器风浪联合作用