近海风机塔架风浪荷载及其响应分析_陈为飞
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。
研讨近海风机新型式基础的动力响应
研讨近海风机新型式基础的动力响应1.前言根据"十二五"可再生能源规划，未来5年我国海上风电将进入加速发展期。
与内陆风电相比，海上风电具有不占用耕地以及高风速、高产出等优势。
为了承受上部平台结构巨大自重及其设备所引起的竖向荷载、强风荷载和波浪冲击等，海上风电机组的基础远比陆上的结构复杂、技术难度高。
根据资料显示，海上风电基础成本约占整个工程成本的15%-25%，被公认为是造成海上风电成本较高的主要因素之一。
因此，设计和建设安全、合理且经济的近海风机基础成为开发近海风电资源的关键问题之一。
由于海上风机受到的作用荷载复杂，在对风机基础的强度设计时不仅要考虑多荷载组合后的极大值，而且应考虑动荷载下风机的动力响应特性。
当今国内外结构设计的发展趋势是应用可靠性理论、推行结构概率设计方法以取代传统的安全系数设计法。
在结构可靠性研究领域，经过世界各国学者的努力，已取得了非常多的研究成果。
因此有必要引入可靠度理论对风电基础的失效概率进行分析，这对保证其安全性有着极其重要的工程价值。
2针对风机本构关系的动力响应研究2.1针对不同基础形式的研究近海风机采用的桩基础广泛用于各个工程领域，其动力响应的研究要求对风机所处环境的荷载和本构关系进行等效模拟。
近年来专家学者针对风机不同的基础形式进行了一系列的研究。
对于不同的基础结构形式，其在荷载下的承载特性均会出现一定的差异，因此有必要针对不同基础形式选用合适的有限元模型。
刘琳[1]讨论了特定海区1.5MW风机单桩基础结构的动力和静力特性。
考虑海洋环境荷载，以及风机不同工况下的不同荷载，选择SESAM软件来建立有限元模型，计算结构在极端环境荷载下的静强度和屈曲，运用API规范中的工作应力法来校核结构的刚度、强度和稳定性。
郇彩云[2]选用四桩风机基础结构进行研究，采用软件ANSYS，考虑波流荷载和地震荷载，对结构进行静力分析、动力分析计算。
沈玉光[3]建立了海上风电同型基础结构体系的模型，把筒型基础和塔架连接的过渡段等效为大直径圆筒，针对风浪荷载，对该模型进行了动力响应分析，并对不同工况的荷载进行了组合。
海上与陆地风机发载荷工况的对比
海上与陆地风机发电机组设计载荷工况的分析对比邓英温和旭姚兴佳衣传宝王建国沈阳工业大学风能技术研究所 110023 沈阳辽宁摘要文章从兆瓦级风力发电机的结构特点和应用范围角度上，给出了海上和陆地风力发电机组主要特点和区别，特别是较详细的给出了海上风力发电机组四种工况41个条件下的载荷工况，与陆地风力发电机组IEC规定的载荷工况进行对比，得到机组设计中正常工况载荷、极端工况载荷、特殊工况载荷及安装运输工况载荷的主要特性，海上和陆上风机的载荷工况特点；特别是提出了设计中应当注意的几个问题，在进行技术设计时，首先是机组安全设计，然后是可靠性和使用寿命设计，最终达到海上风力发电机组可靠稳定运行。
1、概述随着陆地风力发电技术的的日益成熟，陆地上的有限风能相继开发，人们又想到了海上丰富风能资源，考虑建设海上风电场。
海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高。
综合上述两个因素，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。
这样一股建设海上风电场的的热潮在世界范围掀起，海上风力发电机的组成为业内关注的焦点，它与陆地风力发电机组的区别主要体现在地基建设的难度高，机组各部件载荷比陆地机组强度大，安全设计采用特殊安全等级。
从外部特征上表现在不同之处如下：（1）、电网连接国外好多海上风电场电网没有直接并网，而是采用AC(交流输电线)方式并入该地区的输电系统。
但有些风电场如瑞典、挪威和德国的其联网方式采用直流方式，输电方式采用高压直流输电。
（2）、敷设海底电缆海上风电场通过敷设海底电缆与主电网并联，为了降低捕鱼工具、锚等对海底电缆造成破坏的风险，海底电缆必须埋起来。
如果底部条件允许，可用水冲海床(使用高压喷水)，然后使电缆置入海床而不是将电缆掘进或投入海床，这样做的方法最好。
（3）、联结电压对于120-150兆瓦容量的风电场与30～33千伏的电压等级相联时，每个风电场中，会有一个30～150千伏变电站的平台和相应的辅助设备。
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析海上漂浮式风电机组对海上环境要求较高，因此需要充分了解和计算海浪载荷，以确保安全运行。
海浪是海洋中的一种涡流，其频率、幅值和振幅周期不断变化，是海上风电机组的主要载荷。
本文的目的是计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷，以确保其安全性。
海浪载荷的计算可以分为三个步骤：海浪谱计算、海面通量的计算和海浪载荷的实际计算。
首先，海浪谱可以通过实验和模型计算获得。
实验可以在平坦水上进行测量，得到不同频率的海浪能量密度信息，从而提供海浪能量分布。
实验研究表明，海浪谱可以用一般的双曲线拟合得到。
其次，可以计算海面通量。
海面形态的改变可以用张量积分计算方法来进行，以获得海面通量信息，从而获得不同频率的海浪能量转化率。
最后，可以计算海浪载荷。
根据海浪谱和海面通量信息，可以计算出每种频率海浪载荷的总和，从而得到海浪载荷总和。
接下来，为了更好地分析海浪载荷，可以采用统计分析方法。
首先，可以分析海浪谱的分布，以及给定频率的海浪能量。
其次，可以分析不同频率的海浪载荷的分布特征，以及每个频率的海浪载荷的大小。
最后，可以统计分析总载荷的分布特征以及最大载荷大小。
在计算和分析海浪载荷过程中，可以按照不同的方向进行分析，比如按照不同的时间段，或者按照不同的地域来进行分析。
例如，可以针对具有特定时间段的海浪谱，计算特定时间段内的海浪载荷，或者针对特定区域的海浪谱，计算特定区域内的海浪载荷。
在计算过程中，还可以根据设计浮子尺寸和形状对海浪载荷进行修正，以更精确地计算海浪载荷。
通过计算和分析海浪载荷，可以有效地确保海上漂浮式风电机组的安全性。
首先，可以计算出海浪载荷，以便评估机组的设计合理性。
其次，可以计算出悬浮式风电机组在某一地区、某一时间段的海浪载荷，以更准确地评估风电机组的性能。
最后，可以采取安全措施，以防止海浪载荷超过机组的承载能力，从而确保其安全性。
总之，计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷是评估机组性能和安全操作的重要手段，可以帮助有效地提升海上悬浮式风电机组的安全性。
近海风力发电高塔波浪随机动力响应分析
Ｍａｈ ｔａ和 Ｐ ｎ ｉ ｌｏｒ ｅ ｚ ｎ较早 地 开展 了近海 结 构 的 ｅ
引 言
随着 诸 如 石 油 、 等传 统 能源 供 给 以及 环 境 保 煤
护压 力 的 不断 增 加 ， 洁 能源 的重 要 性逐 渐 受 到 了 清
随机 响应 分 析工作 ［ 。 ７ 采用 等价 线性 化法 ， ］ 以阻尼 系
关 键 词 ： 机 动 力 响 应 ； 海 风 机 塔 ； 率 密 度 演 化 ；随 机 Ｆ ｕ ｉ 随 近 概 ｏ ｒ ｒ海 浪模 型 ｅ 中 图 分 类 号 ： Ｖ ３．２ Ｔ １９ 文献标识码 ： Ａ 文 章编 号 ： ０ ４４ ２ （ ０ １ ０— ３ ５０ １ ０ — ５３ ２ １ ）３０ １ —８
特性 不 但 需要 避 开 海 浪 的 特征 周 期 ， 需 要避 开 风 还 机 桨 叶转 动 的周 期 ， 撑 结 构 的 动力 特 性 需要 间 于 支 二者 之 间 ， 法完 全 远离 波浪 的特征周 期 。 因此 ， 无 波 浪作 用下 近 海风 力发 电高 塔 结构 的动 力效 应也 无法 作 拟静 力化 处理 。结构 在波 浪作 用下 的 随机动 力 响
徐 亚 洲 ，李 杰。
（＿ 安建筑科技大学 土木工程学 院， 西 西安 ７０５ ； １西 陕 １０５
２同济大学土木工程学 院 ， 海 ２０９ ） ． 上 ０ ０ ２
摘要 ： 基于拟层 流风 波生 成机制建立 的随机 Ｆ ｕｉｒ ｏ ｒ 海浪模型 ， ｅ 采用概率密度演化 理论研究 了近海风力发电高塔在
数 为 优 化 参 数 将 Ｍｏｉ ｎ公 式 中 的 非 线 性 项 线 性 ｒｏ ｓ
化 。并通 过模 态叠 加法 求解 深水 格构 式 塔在 波浪作
近海风机基础-塔架结构体系振动监测与动力响应分析
摘 要 ：我 国东 部 近 海 区域 目前 建 设 的风 电场 基 本 均 采 用 桩 基 结 构 ，桩 基 一 塔 架 结 构体 系 是 典 型 的细 长 高 耸结 构 ， 在 复 杂 海 洋 环 境 载荷 作 用下 具 有 明显 的动 力 性 质 、 随机 性 质 和 非 线 性 性 质 。本 文结 合 江 苏 响 水 近 海试 验风 机 长 期 的 桩 基 础 一塔 架结 构体 系振 动监 测 数 据 ，分 析 了结 构 体 系 振 动 与 风 、浪 等 环境 荷 载 的相 关 性 ，结 果 表 明 ：振 动 加
风 机 的基 础 、塔 架 不 同位 置 安 装 多 套 振 动 监 测 仪 器 ，进 行 了 长期 的桩 基 础 一塔 架 结 构 体 系 振 动监 测 。本 文依 据 实测 相 关 数据 ，分 析 了结 构体 系 振 动与 风 、浪 等 环境 荷 载 的相关 性 ，并 与 动力 有 限元 数 值模 拟计 算 结果进 行 了对 比分 析 ，验证 了数 值模 拟分 析 的可行性 。
海 上 风机 三桩 导 管架 基 础一 塔 架 在风 荷 载 、冰荷 载 和地 震荷 载 下 的动力 响应 分 析 ；陈法 波 计 算 分析
了风 、浪 和地震 等荷 载 下 的基础 结构 动力 响应 ；陈小波 进行 了基 于 Ｓ Ｐ Ｈ理 论 的近海单 桩风 机结 构体 系与 波 浪动 力 相互 作 用研 究 。以上 研 究 均从 理 论 上进 行 了计 算分 析 ，但 缺 乏现 场 结构 体 系 的振 动监
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ — １ １ — ２ １
资 助 项 目 ： 中 国水 利 水 电科 学 研 究 院 专 项 “ 技集 １ ０ ３ ５ ”
作者简介 ：杨锋 （ １ ９ ８ ０ 一 ） ，男 ，湖北 建始 人 ，博 士生 ，工程师 ，主要从事地基处理及海上风电基础研究。
波浪荷载对海上风电筒型基础结构振动响应的影响
波浪荷载对海上风电筒型基础结构振动响应的影响
陈露露;姜军倪;刘成果;蔡东;胡德芳
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2024(42)6
【摘要】以混凝土弧线段为过渡段的宽浅式筒型基础所受的波浪荷载较大,易对整个海上风电结构体系的振动响应产生影响。
针对某海上风电筒型基础结构,文章基
于现场实测数据构建了整机有限元模型,通过数值模拟方法分析波浪荷载对海上风
电筒型基础结构塔筒顶部振动响应的影响。
结果表明:在风机运行过程中,由风荷载
所引起的塔筒顶部的振动响应较波浪荷载所引起的响应要大;在浪高较小工况下,相
较风荷载,波浪荷载的影响可以忽略;波浪荷载对风机塔筒顶部振动响应的影响随着
外界风速及浪高的增大而增大,其对塔筒顶部振动位移响应的影响比振动加速度大。
【总页数】7页(P774-780)
【作者】陈露露;姜军倪;刘成果;蔡东;胡德芳
【作者单位】响水长江风力发电有限公司;天津大学建筑工程学院;长江勘测规划设
计研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TK81
【相关文献】
1.非对称风-浪荷载下海上风电筒型基础的累积倾角研究
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运输过程荷载识别研究3.大尺度海上风电筒型基础在风荷载下的响应研究4.考虑
气动阻尼影响的海上风电筒型基础整机运行状态振动模拟研究5.考虑荷载安全裕度的海上风电筒型基础优化反演设计
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海上风机塔架结构因素对极端天气的响应分析
海上风机塔架结构因素对极端天气的响应分析近年来，随着全球气候变化的加剧，极端天气现象越来越频繁，对于海上风机塔架的设计和安全运营提出了更高的要求。
海上风机塔架是连接风轮机和基座的重要结构，其可靠性和安全性关系到整个风电场的可持续发展。
本文旨在探讨海上风机塔架结构因素对极端天气的响应分析，为提高海上风电场的安全性能提供理论基础。
一、海上风机塔架的结构特点海上风机塔架结构复杂，由多个模块组成。
其主要组成部分包括塔筒、基础、平台、上塔盘、下塔盘、主轴等部分。
海上风机塔架的高度早已超过了百米，其结构特点可归纳为以下几点：1. 塔筒结构复杂塔筒是海上风电机组的重要承载部分，其结构复杂，主要包括塔筒外壳、筋肋板、内框架等结构组成，不同部位的截面形状、壁厚及材料均有所不同。
2. 基础稳定性关键海上风机塔架的基础是其稳定性的关键。
由于海上环境恶劣，海浪和海风的冲击力较大，基础建设必须严格按照设计要求进行，并相应进行环境风险评估。
3. 上下塔盘稳定性要求高上塔盘和下塔盘连接塔筒，是海上风机塔架的重要组成部分，其稳定性要求极高，不仅要承受旋转力矩和重力载荷，还需保证在极端天气情况下的安全性。
4. 主轴承受过载能力较强海上风机塔架的主轴承受着由风轮机转子引起的巨大转矩，且在极端天气情况下需要承受额外的载荷，主轴的强度和稳定性关系到海上风机塔架的整体运行安全。
二、极端天气对海上风机塔架的影响极端天气，如强风、暴雨、风暴潮、台风等，在海上环境下对海上风机塔架的影响主要集中在以下几个方面：1. 风力对海上风机塔架带来巨大压力在强风和台风等极端天气下，海上风机塔架所受的风力将超出设计范围，随着海风的加强，风压力会呈现出指数级增长，对海上风机塔架产生严重的冲击，并给整个风电场带来极大的安全隐患，甚至造成风电机组崩塌的风险。
2. 海浪对海上风机塔架造成冲击海浪是海上风机塔架的另一个极端天气因素。
强大的海浪冲击会对海上风机塔架产生巨大的振动和冲击，会引发结构失稳或破坏，对风电机组的运行安全造成严重威胁。
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参考文献[1] 李秋义,王志伟,李云霞,田砾.海泥陶粒制备高性能轻集料混凝土的试验研究[J ].材料科学与工艺,2008,16(4):547-550.[2] 任洪涛,祖亚丽,任泽民,刘平.轻骨料混凝土剪力墙抗震性能的试验研究[J ].河北工业大学学报,2007,36(3):94-98.[3] 王海龙,申向东.轻骨料混凝土早期力学性能的试验研究[J ].硅酸盐通报,2008,27(5):1018-1022.[4] J G J51-2002,轻骨料混凝土技术规程[S].[5] J G J12-99,轻骨料混凝土结构设计规程[S].[6] 张弘强,王书彬,魏拓,徐原庆.粉煤灰陶粒混凝土配合比的正交实验研究[J ].森林工程,2008,24(6):72-73.[收稿日期] 2009-12-08[作者简介] 张广成(1979-),男,河北人,工程师,现从事建筑结构设计工作。
(编辑 王亚清)近海风机塔架风浪荷载及其响应分析陈为飞, 陈水福(浙江大学建筑工程学院结构工程研究所, 杭州 310058) 【摘 要】 研究风暴潮环境下近海风机塔架所承受的风、浪、海流动力荷载的数值模拟与计算,探讨在这些动力荷载作用下风机塔架的位移及基底内力响应的变化规律。
联合运用了快速傅立叶变换(FFT )方法和谐波叠加法进行脉动风的模拟,再由M oris on 方程计算浪和流荷载。
算例分析表明,在风暴潮环境下,风机塔架的塔底水平力与倾覆力矩较大,通过调整角度降低叶片的迎风面积,可在一定程度上减小叶片上的风荷载,降低塔底最大主应力;在风荷载和浪流荷载的作用中,塔底弯矩主要由前者引起,而后者对塔底水平力的贡献较大。
【关键词】 风机;风荷载;波浪荷载;风暴潮;动力响应【中图分类号】 T U31113 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001-6864(2010)03-0044-03[基金项目] 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA05Z 427) 我国近海风能资源十分丰富,据测算其储量约达715亿kW [1],为陆上储量的3倍。
近海风力发电具有风力持久稳定、风能产量更高、受环境影响小等特点,已成为我国风电发展的新趋势。
目前我国已建成上海东海大桥海上风电场一期工程,正在或即将建设的项目还有很多[2]。
尽管近海风电场具有诸多优势,但是与陆上风电场相比,近海风电场所受的极端环境荷载更加恶劣和复杂,其中最为典型的极端荷载就是风暴潮荷载。
当风暴潮恰与天文大潮相遇时,其破坏力将更大。
因此,研究风暴潮等极端环境下近海风机承重构架的风、浪、潮流荷载及其响应,对保障风电机组的结构安全具有十分重大和现实的意义。
1 荷载计算风暴潮环境下作用在近海风机塔架上的荷载主要有风荷载、浪荷载和潮流荷载。
首先运用风速谱及相关的模拟方法进行脉动风风速时程的模拟,然后根据流体力学方法,计算作用于风机塔架上的风荷载时程;而波浪力的计算则采用波浪模拟法并结合M orison 方程实现。
1.1 风荷载的计算在风的顺风向时程曲线中,风速包括平均风和脉动风两部分。
假设来流风中的脉动部分符合沿高度变化的S im iu 谱[6]:S v (z ,n )=200f 3v 23n (1+50f 3)5Π3(1)式中,f 3=nz Π v (z ),n 为脉动风频率(H z );z 为相对地面的高度; v (z )为z 高度处的平均风速;v 3为风的流动剪切速度,v 23=K v 210,K 值取01002[7]。
本文联合运用快速傅立叶变换(FFT )方法和谐波叠加法进行脉动风的模拟,获得脉动风时程的样本曲线。
设ωn 和ωk 为截取频率的上限和下限,N 为正整数,设为充分大,则考虑一组m 处不同高度的风速时程v j (t )(j =1,2,…,m ),可用下式表示[8]:v j (p Δt )=2ΔωR e G j (p Δt )exp ipπM(2)式中,R e 为复数取实部函数,Δω=(ωn -ωk )ΠN ,M =2πΠ(Δt Δω)为整数;p =1,2,…,M -1;j =1,2,…,m ;G j (p Δt )可用FFT 方法求得,参见文献[9]。
得到总风速的时程曲线之后,可用下式计算作用于风机塔架上的风荷载时程曲线:F (z ,t )=12ρC d v 2(z ,t )A (3)式中,ρ为空气密度,取值为11225kg Πm 3;A 为有44低 温 建 筑 技 术2010年第3期(总第141期)效迎风面积;C d 为阻力系数。
文中塔筒的阻力系数取112,叶片的绕流阻力系数取012[9]。
1.2 浪荷载及潮流荷载的计算本文基于线性波浪模拟法及M orison 方程,采用速度矢量叠加法得到作用在风机塔架z 高度处单位长度上的总波流力计算式[10]:f =G M ρπD 249(u +v c )9t +C D ρD 2・(u +v c )|u +v c |(4)式中,D 为塔架直径;C D 为速度力系数;C M 为惯性力系数;u 为波浪水质点的速度,假设其符合PM (Pierson -M oscow itz )谱,则可由线性波浪模拟法[11]模拟得到;v c 为流的速度,由挪威DNV 标准[13]计算。
2 动力响应计算在风、浪、流动力荷载作用下,n 个自由度体系的:M y ¨+C y ・+K y =F wind (t )+F wave (t )+F current (t )(5)式中,M 、C 、K 分别为n ×n 阶的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵,F wind (t )、F wave (t )、F current (t )为作用于各个加载节点上的风、浪、流荷载时程。
该方程采用Newmark 法[14]求解。
假设结构阻尼符合Rayleigh 阻尼[12],则阻尼矩阵C 可按下式计算:C =αΜ+βK (6)式中,α、β分别为质量参数和刚度参数,可由结构自振频率和阻尼比确定。
3 算例分析某兆瓦(MW )级风力发电机,叶片长度为35m ,轮毂在海平面上的高度为60m ,塔架底部和顶部直径各为412m 和312m ,塔架没入水中15m ,水深为20m 。
材料弹性模量为211×1011N Πm 2,泊松比013,密度为7850kg Πm 3,屈服强度为205MPa ,选取轮毂高度处50年一遇的风速作为参考风速。
本文对以下两个工况的风、浪、流荷载及塔架响应进行分析:工况1:参考风速为50m Πs ,有效波高6m ,水流流速参照DNV 规范,最大潮高5m 。
工况2:0414号台风云娜[14],登陆点以北的海门站,测得最大潮高为7142m ,水流流速参照DNV 规范,参考风速为5817m Πs ,有效波高取6m 。
本文采用梁单元模型,塔体每隔3m 、叶片每隔5m 划分为一个单元,计算简图如图1所示。
叶片上的风荷载及塔架上的风、浪、流荷载时程分别采用M atlab 软件编程,并将计算结果导入Ansys1110有限元软件的所建模型中计算其响应。
图2给出了工况1、2有效波高为6m 时的波面高程,模拟时间为128s ,时间间隔01125s。
图3给出了风机塔架顶部位移响应及时程曲线。
由图2可见,工况1、2的最大位移值分别为011055m 和011225m ,根据高耸结构设计规范,其水平位移限值为H Π75,两工况均满足要求。
图4和图5分别给出了两种工况下塔底水平力和塔底弯矩的时程曲线,表1则给出了三个工况下塔底的最大内力及最大应力。
由表1可见,在风、浪、流荷载联合作用下,工况1、2的塔底最大主应力分别为17919、19516MPa ,均小于材料屈服强度205MPa ,塔架强度符合要求。
工况2弯矩较大,其最大主应力接近于屈服强度,对塔底较为不利。
针对工况2塔底内力和应力较大的情况,通过将54陈为飞等:近海风机塔架风浪荷载及其响应分析风机叶片设计成角度可调(停机状态下),以降低叶片的迎风面积。
在本例中,假设通过调角使得叶片迎风面积达到最小,这样可求得塔底最大水平力为121213kN ,塔底最大弯矩为56207kN ・m ,最大主应力为15913MPa 。
此时最大主应力减小了18160%。
表1 两工况下塔底最大内力及应力名称工况最大水平力ΠkN最大弯矩ΠkN ・m最大弯曲应力ΠMPa最大剪应力ΠMPa最大主应力ΠMPa114401863445179158145517919213211969032195137175819516 工况1作用下,引起塔底水平力的两种因素中,风荷载的贡献比为53160%,浪流荷载为46140%;引起塔底弯矩的风荷载及浪流荷载的贡献比分别为87139%、12161%;对于工况2,引起塔底水平力和塔底弯矩的风荷载贡献比各为65112%、89158%。
由此可见,浪流荷载对塔底水平力的贡献不容忽略,尤其当风速较小时;而塔底弯矩主要由风荷载引起,浪流荷载的贡献较小。
4 结语(1) 在风暴潮环境下,风机塔架结构将产生较大的加速度和巨大的塔底水平力与倾覆力矩,导致塔底剪应力、弯曲应力以及合成后的主应力处于较高状态。
以工况2云娜台风暴潮为例,主塔塔底最大主应力达19516MPa ,接近Q235钢材的屈服应力。
(2) 在强风条件下,将风机叶片设计成角度可调(停机状态下),以降低叶片的迎风面积,可在一定程度上减小叶片上的风荷载,降低塔底的最大主应力。
对于工况2,如将叶片迎风面积调至最小的角度,能使塔底最大主应力减小18160%。
(3) 浪流荷载对塔底水平力的贡献较大,尤其当风速较小时(如工况1浪流荷载占46140%);而塔底弯矩主要由风荷载引起(如工况2中风荷载占89158%),浪流荷载的贡献较小。
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