基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析
海上风电塔架-筒型基础结构流激振动响应分析
由于线弹性里 面 ， 质量矩 阵 和刚度 矩 阵都 属于 实数 对称矩 阵。可 以将 位移 矢量 进 一步 转 化成 简 谐 运 动形 式， 即 ｕ （ ｘ ， Ｙ ， ｚ ， ｔ ）＝ （ ， ｙ ， ｚ ） ｅ （ ３ ） 式中： （ ， Ｙ ， ） 为位移矢量 幅值 ； 宙 为结构固有频率 。将
Ｊ ｕ １ ．， ２ ０ １ ３
海 上 风 电 塔 架
一筒 型 基 础 结 构
流 激 振 动 响 应 分 析
刘喜 珠 ， 刘 志峰
（ １ ．山东省水利勘测设计 院， 济南 ２ ５ ０ ０ １ ３ ；２ ．山东省水利工程管理局 ， 济南 ２ ５ ０ ０ １ ３ ）
［ 摘 要］ 从 海上 风 电塔 架和 基 础 结构 的设 计 出发 ， 首 次通 过 简化风 机 叶 片和 轮 毂 ， 并 考虑 基 础 和地基 的 限制作 用 ， 建 立 简化 风机 一 塔 架 一基 础 一地基 整 体模 型 ， 分 析塔 架 一钢混 组合 结构
［ 中图分 类号 ］ Ｔ Ｖ ２ １ ２ ［ 文献标识码］ Ｂ ［ 文章编号 ］ １ ０ ０ ６— ７ １ ７ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７— ０ ０ ０ ８— ０ ３
式（ ３ ） 代人到式 （ ２ ） 中 就 能够 得 到特 征 矩 阵 方 程 ： （ ｋ— ｍ田 ） ＝ ０ （ ４ ） 其 中， 幅值 为非零 解 ， 则 必有 行列 式 ｌ ｋ—ｍ 可 ｌ ＝ ０ 。令 Ａ＝可 ， 则ｌ 一Ａ ｍＩ － ０ ， 可 以 解 出一 系 列 特 征 值 Ａ （ ｉ ＝１ ， ２ ， ３ ， …， ｎ ） 。式 （ ４ ） 中， 可 以获得相应 的位移幅值 ， 也就是本文所说 的主振型 （ ｉ ＝１ ， ２ ， ３ ， …， ｎ ） 。
海上风力发电的变桨系统的振动特性分析与降噪控制方法研究
海上风力发电的变桨系统的振动特性分析与降噪控制方法研究随着全球对可再生能源需求的不断增加，海上风力发电成为了一种重要的清洁能源解决方案。
然而，海上环境的复杂性以及风力发电设备的独特特性导致了一系列技术挑战。
其中一个重要的问题是变桨系统的振动特性以及与之相关的噪声问题。
变桨系统是海上风力发电装置的关键部件，负责将风能转化为机械能。
然而，由于海上风力发电设备常常面临恶劣的海洋环境，例如强风、大浪和海流等，变桨系统的振动问题变得非常突出。
这种振动不仅会影响设备的性能和寿命，还会产生噪声污染，影响海洋生态环境和附近居民的生活质量。
因此，对海上风力发电的变桨系统的振动特性进行分析并研究降噪控制方法变得至关重要。
要充分理解和解决这一问题，我们需要从以下几个方面展开研究。
首先，需要进行变桨系统的振动特性分析。
这包括对变桨系统在正常运行状态下的振动特性进行实地测量和数据采集。
通过对振动信号的分析，可以得到变桨系统的振动频率、幅值和传递特性等关键参数。
这些分析结果可以帮助我们进一步了解变桨系统的工作状态，并对振动问题的成因进行初步探究。
其次，需要研究变桨系统振动问题的影响因素。
变桨系统振动的成因可能涉及到多个因素，例如风的作用力、叶片结构和材料、变桨驱动器等。
通过对这些因素的深入研究，可以找出导致振动问题的主要原因，并为后续的降噪控制提供方向。
接下来，需要开发相应的降噪控制方法。
基于之前的振动特性分析和影响因素研究，我们可以针对性地设计降噪控制方案。
例如，可以采用减振器、隔振垫等传统的机械降噪控制手段，或者运用控制理论和智能技术，开发自适应降噪控制算法。
这些控制方法的目标是有效地抑制变桨系统的振动和噪声，提升设备的工作性能和环境友好性。
最后，需要进行实验验证和性能评估。
通过在实验室或真实海上环境中进行验证实验，可以评估所提出降噪控制方法的有效性和可行性。
这包括对变桨系统振动和噪声的实时监测和分析，以及与无降噪控制情况的对比研究。
三桩基础海上风机结构的比较分析
三桩基础海上风机结构的比较分析海上风机是指安装在海上的大型风能利用设备，是清洁能源领域中的一个重要组成部分。
现代海上风机的结构主要由塔座、机舱、叶片、轴和基础组成。
基础是保持整个海上风机稳定的重要组成部分，也是传递风机重量和风载荷的属性之一。
基础适当的设计和施工是保证海上风机可靠性和长久稳定运行的关键之一。
目前，海上风机的基础结构主要有三种类型，分别是单桩基础、桶形抗拔基础和吊扣式基础。
下面将对这三种基础结构进行比较分析。
1. 单桩基础单桩基础是一种简单、成熟、可靠的基础结构，可应用于水深不超过30米的浅海风机，该风机通常使用普通开挖船安装，成本较低。
在单桩基础的设计中，桩的直径、长度和钢板堆垛方式等参数需要精细化计算和调整，以确保桩基能够承受风载、水动力、震动和永久荷载的各种作用力，保证风机的稳定运行。
与其他基础结构相比，单桩基础的优点是施工相对简单，适用范围广，成本低廉。
但是，单桩基础的主要缺点是其对泥土层的依赖性较高，桩基施工流程中使用重型打桩机或现场钢板打桩常会引起水质污染和水下噪音干扰，因此，其适用范围受限，需要充分考虑海洋环境对基础的影响等制约因素。
2. 桶形抗拔基础桶形抗拔基础是另一种常用的海上风机基础结构，通常适用于25至50米深度的水域。
桶形基础的设计是在打预应力混凝土桶体的时候将桶内下部空泡，以提高抵抗弯矩的能力和抗拔性能。
相比于单桩基础，桶形基础在深海或海底地形复杂的地方表现更为出色，具有刚性强、耐风载性好和可减少海洋环境污染等优势。
值得注意的是，桶形基础的施工工艺比单桩基础要复杂一些，需要使用更多的施工设备和人工，所以桶形基础的施工成本比单桩基础更高。
另外，一个缺点是他的模拟需求和设计流程要比单桩基础更为复杂。
此外，由于桶形基础需满足上下游良好的模拟特性，它在提高海底安全系数的同时与其上面的形成很好的一体化，有效地减少了海上风机的摇晃，因而得到了广泛的应用。
3. 吊扣式基础吊扣式基础是一种具有高度灵活性和可重定位性的海上风机基础结构，主要用于深海和远海风机安装。
三桩基础海上风机整体结构的共振分析
三桩基础海上风机整体结构的共振分析海上风机的共振分析对于设计和运维至关重要。
共振是指当一个物体的振动频率与另一个物体的振动频率相接近时，会引起共振现象，从而增加结构的振动幅度和应力，甚至导致结构破坏。
对于海上风机这种高度暴露于海洋环境中的结构来说，共振分析尤为重要。
下面将从风机塔架、机舱和叶轮等三个方面对海上风机的共振分析进行探讨。
首先，风机塔架是风机结构的主要承载部分，也是常发生共振问题的地方。
在共振分析中，首先需要确定塔架的垂直共振频率和水平共振频率。
对于垂直共振，主要是分析风荷载和塔身自身结构的自振引起的共振。
对于水平共振，主要是分析风向输入振动引起的共振。
为了降低共振频率的影响，可以采取以下措施：一是增加塔身的刚度，可以通过增加塔身截面的尺寸或采用高强度材料来实现；二是通过增加阻尼措施来抑制共振现象，比如在塔身上安装阻尼器或阻尼器；三是通过改变塔身的几何形状来改变其共振频率。
其次，机舱是风机的控制中心，也是共振分析的重点之一、机舱内部包含了风机的发电装置、传动装置等，这些设备在工作过程中会产生振动，并且这些振动也会对整个机舱结构产生影响。
因此，在共振分析中，需要对机舱内的振动进行分析，并采取措施来降低机舱的共振现象。
一方面，可以通过对机舱内设备的布局和固定方式进行优化来减小振动的产生；另一方面，可以通过增加机舱结构的刚度和降低共振频率来避免共振问题。
最后，叶轮是风能转化为机械能的关键部分，也是容易发生共振的地方。
叶轮在运行过程中会受到风的作用力和旋转运动的惯性力的影响，这些力会引起叶轮的振动。
为了避免共振问题，可以考虑以下措施：一是增加叶轮的刚度，可以通过增加叶片的截面尺寸或采用高强度材料来实现；二是通过改变叶轮的扭曲角度或叶片的布置方式来改变叶轮的共振频率；三是增加叶轮的阻尼来抑制共振现象。
综上所述，海上风机的共振分析是保证其设计和运维安全的重要环节。
在共振分析中，需要对风机塔架、机舱和叶轮等三个方面进行分析，通过增加结构的刚度、增加阻尼和改变结构的几何形状等措施来降低共振的影响。
三桩基础海上风机结构的比较分析
三桩基础海上风机结构的比较分析海上风机是利用海上风能发电的一种重要装备，而其基础结构是海上风机的重要组成部分。
海上风机的基础结构种类繁多，其中以单桩基础、桁架式基础、和浮式基础为主要类型。
本文将对这三种基础结构进行比较分析，探讨它们在海上风机应用中的优缺点和适用场景。
一、单桩基础单桩基础是一种将海上风机固定在海底的结构基础。
其主要特点是通过一根直径较大的钢桩将风机固定在海底，而钢桩需要通过振动锤或旋挖机等设备打入海底，然后通过水泥灌注或者填充钢筋混凝土进行固定。
优点：1. 施工便利：单桩基础可以通过振动锤或者旋挖机进行施工，相对来说施工比较方便。
2. 成本相对较低：单桩基础的成本相对来说比较低，尤其适用于水深较浅的海域。
3. 维护成本低：单桩基础的维护成本相对较低，因为其结构比较简单，维护也比较容易。
1. 受水深限制：单桩基础受到水深限制，一般只适用于水深较浅的海域。
2. 抗风载能力弱：由于单桩基础固定方式的特殊性，抗风载能力相对较弱，钢桩易于发生折断。
3. 风机规模受限：由于单桩基础的限制，只能适用于小型海上风机，大型海上风机无法采用单桩基础。
二、桁架式基础桁架式基础是一种将海上风机固定在海底的结构基础。
其主要特点是通过将风机与海底连接的桁架结构来确保其稳固性，桁架结构一般采用钢结构。
1. 适用范围广：桁架式基础适用于水深较深的海域，且能适应较大范围的水深。
2. 抗风载能力强：由于桁架结构的特殊性，桁架式基础有较强的抗风能力，适用于大型海上风机。
3. 长期稳定性更强：桁架式基础的稳固性更强，长期使用更加稳定。
1. 施工难度较大：桁架式基础的施工相对来说比较困难，需要较高的技术和设备支持。
2. 成本较高：桁架式基础的成本较高，尤其是钢结构的制造和安装成本较大。
3. 维护难度大：桁架式基础的维护相对来说比较困难，特别是在海上维护更加困难。
三桩基础海上风机整体结构的共振分析
- 15 -高 新 技 术０ 引言对比陆上风力发电整体结构，海上风力发电整体结构有直径更大的叶片、高度更高的塔筒，相应风机整体结构也有更大的柔性。
海上风机的基础结构更复杂，对地基承载力要求高。
海上风力发电结构除了风荷载的作用外，还常受到复杂的外载激励，如海冰荷载、海流荷载和波浪荷载等海洋环境荷载的影响，导致风机结构振动的外载激励增多，所以对三桩基础的海上风力发电整体结构的抗震性能提出了更高的要求。
１ 模态分析该文研究的海上风力发电结构的基础形式为三桩门架式，属于三脚架式基础。
采用大型通用有限元软件ANSYS，建立了三桩基础海上风机整体结构——“基础—塔筒—机舱—轮毂—叶片”的有限元模型，考虑土与结构相互作用的影响，然后根据m 法对其进行了模态分析，得到了三桩基础海上风力发电整体结构的前十阶自振频率和固有振型，结果如下。
第一阶自振频率：0.277 Hz，固有振型：塔筒、机舱、轮毂和叶片沿y 方向摆动。
第二阶自振频率：0.284 Hz，固有振型：塔筒、机舱、轮毂和叶片振动沿x 方向振动。
第三阶自振频率：0.395 Hz，固有振型：三叶片各自沿y 方向振动，左边的叶片振动最大。
第四阶自振频率：0.443 Hz，固有振型：塔三叶片各自沿y 方向振动，右下的叶片振动最大。
第五阶自振频率：0.536 Hz，固有振型：塔筒沿y 方向振动较小，三叶片同步地沿着y 方向振动。
第六阶自振频率：0.737 Hz，固有振型：塔筒沿x 方向振动较小，三叶片绕着轮毂旋转振动。
第七阶自振频率：1.004 Hz，固有振型：三叶片各自绕轮毂旋转振动，左边叶片振动最大。
第八阶自振频率：1.042 Hz，固有振型：塔筒振动很小，左边的叶片振动较小，右边两叶片三桩基础海上风机整体结构的共振分析李 益 凡 威（中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450007）摘 要：该文对三桩基础的海上风力发电整体结构进行了共振分析。
海上风电工程基础结构抗震性能分析
海上风电工程基础结构抗震性能分析摘要本文以海上风电工程地震破坏机理作为切入点，从应力集中情况、振动周期、振动时程三个方面展开分析，再通过代入实测参数的方式进行模拟实验，了解海上风电工程基础结构抗震性能的优化方式，以期通过实验分析理论的可行性，为后续工作提供参考。
关键词风电工程；基础结构；抗震性能；扭应力1 海上风电工程地震破坏机理海上风电工程结构属典型的长周期结构，其主频振动周期一般较为固定，在分析地震破坏时，必须明确基础形式对结构体系的振动周期有明显影响，单立柱桩、组合三脚架、高承台裙桩结构的振动周期会在外力作用发生时逐渐变短。
地震波的扩散过程中，工程的下半部分振动周期往往大于上半部分。
在此前学者的研究中，场地条件对结构的地震响应影响明显。
海上风电工程的建设地点存在差异，这种差异可以按地质学进行分类，一般场地的级别越高，地震影响越小，相同级别的场地上，地震波扩散遵循渐小原则，工程的下半部分对地震波的响应往往大于上半部分[1]。
对地震的时程进行分析，可以发现传统地震动作用下，风电工程结构的响应小于反应谱法的计算结果，这是由于反应谱算法下往往只考虑理想因素，没有分析老化影响。
同时，即便单立柱桩结構的位移响应不满足规范位移的限值规定，也不能看作是应力集中的变化，扭应力依然是破坏风电工程基础结构的主要作用力。
当地震发生时，地震波快速向上扩散，导致风电工程基础结构的力平衡被打破，应力集中往往出现在结构底部基础与结构连接处，垂直作用力在此时只起到辅助作用（传力、导力平衡失效），加大应力集中处的扭应力，导致严重的地震破坏。
2 抗震能力分析与措施2.1 参数设计选取2017年5月我国渤海地区某处上海风电工程作为对象进行模拟分析，工程位于浅海区，平均水深75.2m，建设区域面积45252㎡，建设风力发电设备823处。
为保证抗震性能，选取单立柱桩、组合三桩、承台八桩作为三类方案，分别给予分析。
参数方面，三类方案各有不同，具体数据如表1所示。
海上风力发电风轮叶片振动特性分析与控制
海上风力发电风轮叶片振动特性分析与控制概述海上风力发电已经成为可再生能源领域的重要组成部分。
然而，由于复杂的海洋环境和长期风力作用，风轮叶片的振动问题成为海上风力发电系统的一个关键挑战。
本文将对海上风力发电风轮叶片振动特性进行分析，并探讨相应的控制方法，以提高风力发电系统的可靠性和效率。
风轮叶片振动特性分析风轮叶片振动是受到多种因素的影响，包括风速、风向、海水条件、叶片结构和设计等。
在振动特性分析中，可以通过数值模拟和实验方法来研究风轮叶片的振动行为。
一种常用的数值模拟方法是有限元分析法。
通过将风轮叶片划分为小的有限元单元，可以得到风轮叶片的应力、位移和振动模态等信息。
这些信息可以用于评估风轮叶片在不同工况下的振动特性，包括共振频率、模态形状和振动幅值等。
此外，实验方法也是研究风轮叶片振动特性的重要手段之一。
通过在风洞中模拟风场，可以测量风轮叶片在不同风速下的振动响应。
这些实验数据可以与数值模拟结果进行比较，验证数值模拟的准确性，并提供更全面的振动特性信息。
风轮叶片振动控制方法为了减小风轮叶片的振动幅值，提高风力发电系统的可靠性和效率，研究人员提出了多种振动控制方法。
一种常用的振动控制方法是在风轮叶片上安装主动控制装置。
主动控制装置可以根据叶片的振动状态自动调整叶片的形状，改变叶片的刚度和阻尼特性，从而抑制振动。
这种方法可以通过反馈控制和自适应控制实现。
反馈控制根据叶片振动信号的测量值对主动控制装置进行调整，而自适应控制则根据叶片振动信号的估计值对主动控制装置进行调整。
另一种常见的振动控制方法是 pass-ive 控制，即在风轮叶片上安装被动控制装置。
被动控制装置通常包括阻尼器和质量块。
阻尼器可以通过吸收叶片的振动能量来减小振动幅值，而质量块可以改变叶片的模态形状，从而调整叶片的振动特性。
此外，还可以通过改进叶片的结构和设计来控制振动。
例如，通过增加叶片的刚度和强度，可以提高叶片的抗风能力和抑制振动的能力。
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摘 要 ：海上风机所处环境复杂，在 风 、波浪等随机动载作用下易发生共振破坏。为研究采用桩筒复合基础海上 风机的振动特性，选 择 合 理 的 基 础 设 计 参 数 ，利 用 有 限 元 软 件 A B A Q U S进 行 海 上 风 机 整 体 建 模 ，采 用 Block L a n c z o s 方 法 进 行 模 态 分 析 ，同 时 将 所 得 自 振 频 率 与 外 荷 载 频 率 进 行 对 比 研 究 ，并 分 析 不 同 基 础 形 式 与 不 同 基 础 约束条件下的风机整体振动特性。研 究 发 现: 前 2 阶水平弯曲频率与第3 阶扭转频率为判断风机整体共振的主 要 频 率 ; 与单桩基础相比，桩筒复合基础能够有效增加风机抵抗水平荷载的能力，且在该设计参数条件下风机 能够避免共振的发生; 在基础设计时，应考虑桩土相互作用（P S I )的影响。
关 键 词 ：桩筒复合基础；海上风机；模 态 分 析 ；桩土相互作用
中 图 分 类 号 ：T K 8 3 ; T U 4 7 3
文 献 标 志 码 ：A
文 章 编 号 ：1 0 0 9 - 6 4 0 X ( 2 0 1 7 ) 0 5 - 0 1 0 3 - 0 6
随着能源危机和环境污染问题的加剧，海上风电开发和利用受到世界各国的广泛关注。 按照国家能源 局 “ 十二五” 规 划 ，到 2 0 1 5 年 底 ，海上风电装机容量不低于5 0 0 万 k W , 2 0 2 0 年将不低于3 0 0 0 万 k W [ l ] 。 与常 规 海 洋 平 台 、桥 梁 等 不 同 ，海 上 风 机 整 体 结 构 的 允 许 频 率 偏 低 ，往 往 因 与 风 机 叶 片 振 动 频 率 一 致 ，引发共振现 象 [2 ]。在 风 、波 浪 、地震等随机动载作用下，为避免风电基础发生脆性破坏，除了满足静力承载要求, 还需要 考虑动力方面的影响。 早期国内外学者对陆上风机的振动特性进行了研究，近几年开始逐步转向海上风电 领域。郇彩云等[3]采用土弹簧考虑粧土相互作用对塔筒和基础振动的影响; 胡国玉等[4]研究海上风电桨叶 的振动特性; 何叶等[5]考虑周期性波浪荷载作用研究塔筒与基础的动力响应。 上述研 究 均 具 有 局 限 性 ，海 上 风 电 的 桨 叶 、塔 筒 与 基 础 的 尺 寸 较 大 ，所 处 环 境 复 杂 且 基 础 形 式 多 样 化 ，简 化 的 方 式 不 利 于 风 机 振 动 特 性 的准确评估。本文在前人研究的基础上，建立海上风电“ 地基- 基础- 塔 筒 - 机舱- 桨 叶 ” 整体耦联结构有限 元 模 型 ，研究风机整体振动特性，同时考虑不同基础形式与不同基础约束方式的影响, 为粧筒复合基础的设 计与后期的动力分析提供借鉴。
收 稿 日 期 ：2 0 1 6 -0 9 -1 2 基 金 项 目 ：国家自然科学基金青年科学基金项目（5 1 4 0 8 6 0 9 ) ;中央高校基本科研业务费专项资金（15CX02044A) 作者简介：管友海（1975— ），男 ，山东临沂人，副 教 授 ，博 士 ，主要从事结构抗震与城市防灾信息化研究。
第5期 2017年 10月
水利水运工程学报
HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING
No.5 Oct. 2017
D O I.10.16198/ki.1009-640X .2017.05.015
管 友 海 ，西 文 喜 ，唐 兴 亮 ，等 . 基 于 桩 筒 复 合 基 础 海 上 风 机 振 动 特 性 分 析 [ J ] . 水 利 水 运 工 程 学 报 ，2 0 1 7 ( 5 ) : 1 0 3 - 1 0 8 .
1பைடு நூலகம்海上风电有限元模型
1 . 1 模型及材料参数
风机 塔 筒 高 7 5 m ，直 径 为 2. 7 ~ 5. 0 m ; 桨叶选用玻璃钢材料，长 5 0 m ，宽 3. 6 ~ 2. 2 m 。 本文选取天津大 学近几年研发的新型基础形式一 桩筒复合基础[ 6 ] ，该基础由粧、筒 、支 撑 板 、混凝土灌浆四部分组成，尺寸 如 下 : 粧基础直径5 m ，总长度45 m ，厚 度 6 0 m m ，其中泥面以下长3 0 m ，粧顶部通过法兰环与上部结构连接； 筒 基 础 直 径 16 m ，内部开洞直径5 . 2 m ，筒 壁 高 度 为 3 m ，顶盖和筒裙所用钢板厚度为6 0 m m ;在筒基础顶盖
(G U AN Youhai, XI W enxi, TANG Xingliang, et al. Analysis of vibration characteristics of offshore wind turbine with pile-tube
composite foun dation [J]. Hydro-Science and Engineering，2 0 1 7 ( 5 ) ：1 0 3 -1 0 8 . ( in C h in ese))
表 1 材料参数
Tab. 1 Material parameters
E-m ail：guanyouhai@ 通 信 作 者 ：唐 兴 亮 （E-m ail: 18765921836@ )
104
水利水运工程学报
2017年 10月
均 勻 布 置 6 个横向肋板，肋板在筒体内侧高度为3 m，外 侧 高 度 为 0.5 m，肋 板 厚 度 为 30 mm;单桩基础和筒 型基础之间灌注厚度为10 c m 的高强灌浆材料。所用材料参数如表1 所 示 。
基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析
管 友 海 \ 西 文 喜 \ 唐 兴 亮 \ 甘 毅 2, 张 如 林 1
( 1 . 中国石油大学（华 东 ）储 运 与 建 筑 工 程 学 院 ，山 东 青 岛 266580; 2 . 福 建 省 水 利 水 电 勘 测 设 计 研 究 院 ， 福 建 福 州 350001)