风浪流共同作用下海上风电基础动力响应与承载性能分析
海上风力发电机组支撑结构动力响应特性研究
第 １ ６卷第 ４期 ２１ ０ ２年 ４月
文 章 编 号 ：１ ０ — ２ ４ ２ １ ）４ ０ ０ － ８ ０ ７ ７９ （０ ２ ０ － ４ ８ ０
船舶力 学
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海上风力发 电机组支撑 结构 动力响应特性研 究
陈 前 ，付 世 晓 ａ，邹 早建 ａ ， ｂ ，
（ 海 交 通 大 学 ａ 船舶 海 洋 与 建 筑 工 程学 院 ； ． 洋 工程 国家 重 点 实 验 室 ，上 海 ２ ０ ４ ） 上 ． ｂ海 ０ ２ ０
海上风力发电整机的风、浪、潮耦合效应研究
海上风力发电整机的风、浪、潮耦合效应研究随着全球能源需求的不断增长和对环境污染的担忧，海上风力发电作为一种可再生能源技术逐渐崭露头角。
然而，作为一项新兴的能源产业，海上风力发电系统在海洋环境中的稳定性和可靠性仍面临一系列挑战。
其中一个重要的挑战是海上风力发电整机与海洋环境之间的风、浪、潮耦合效应。
风是海上风力发电的关键动力源，但海风具有高度的不确定性和变动性。
海上风力发电机组处于不断变化的风场中，其转子受到非稳态风力的作用，从而影响机组的输出功率和结构动力响应。
因此，准确评估海上风力发电机组的风场特性和风力变化规律对系统的设计和运行至关重要。
同时，海洋环境的波动对海上风力发电系统的稳定性和可靠性也有着重要影响。
海洋波浪是由风力、潮汐和地球自转等因素共同作用造成的。
这些波浪作用力直接作用于海上风力发电机组的浮体结构，导致结构的振动和疲劳。
因此，研究海上风力发电整机与波浪的耦合效应，包括波浪高度、波浪周期等参数的变化对系统的影响，对系统的设计和运行具有重要意义。
此外，潮汐是海洋中水位的周期性变化，也会对海上风力发电系统产生影响。
潮汐的涨落会改变发电设备的水下部分的水流速度和方向，从而对系统的能量转化效率和结构受力产生影响。
因此，研究海上风力发电整机与潮汐的耦合效应，包括潮汐涨落的幅度、潮汐周期等影响因素，对系统的设计和运行具有重要意义。
为了研究海上风力发电整机的风、浪、潮耦合效应，需要使用先进的数值模拟方法。
数值模拟方法可以模拟风、浪、潮汐与发电机组之间的相互作用过程，以解释和预测系统的响应和性能。
其中，风场模拟可以通过基于雷达、卫星和气象浮标等数据获取真实的风场数据，并结合大气动力学理论对风场进行模拟。
波浪模拟可以采用海洋动力学理论和数值模拟方法，模拟海洋中波浪的传播和反射现象。
潮汐模拟可以通过精确预测地球的天文位置和水文参数，从而模拟潮汐的周期性变化。
基于数值模拟的研究结果，可以评估海上风力发电整机在不同海洋环境条件下的性能和可靠性。
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。
台风-浪-流耦合作用下海上10_MW级特大型风力机风荷载特性分析
第 36 卷第 2 期2023 年4 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 36 No. 2Apr. 2023台风‑浪‑流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析柯世堂1，2，王硕1，2，赵永发1，2，张伟1，2，李晔3（1.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏南京 211106；2.南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，江苏南京 211106；3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）摘要: 为揭示海上台风⁃浪⁃流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性，以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象，采用Model Coupling Toolkit（MCT）建立中尺度WRF⁃SWAN⁃FVCOM（W⁃S⁃F）实时耦合模拟平台，分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风⁃浪⁃流的时空演变，再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片⁃塔筒⁃波浪面之间的干扰效应，提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。
结果表明：建立的中尺度W⁃S⁃F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用；塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主，在波浪干扰段以顺风向为主，并在低空波面附近表现出较强的脉动特征；A位置叶片最安全而B位置最危险；T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位，基底剪力最大达7.68×106量级，基底弯矩最大达5.2×108量级。
关键词:风荷载分布；台风⁃浪⁃流耦合模拟；海上风力机；中/小尺度嵌套；干扰效应中图分类号: TU312+.1； TK83 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）02-0299-12DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.02.001引言与陆上相比，海上风力机运行环境更加恶劣，承受复杂多变的风况与海况，面临台风、巨浪、急流等极端复杂海洋环境的严峻挑战。
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。
海上风电场结构动力响应与优化设计
海上风电场结构动力响应与优化设计随着能源需求的日益增长和环境问题的日益严峻，海上风力发电作为一种新型清洁能源正在逐渐被重视。
然而，海上风电场所处的环境条件十分恶劣，其结构动力响应是影响其运行及发电能力的主要因素之一。
因此，如何优化设计海上风电场结构以提高其动力响应及发电效率，成为了当前的研究热点之一。
一、海上风电场结构动力响应的影响因素1. 海上环境海上环境因素对海上风电场结构的动力响应具有显著的影响。
海上风电场通常面临海浪、风力、气压变化等环境因素的作用，这些因素会导致结构产生振动、风险破坏，严重的还会导致结构受损或倒塌。
2. 结构参数海上风电场结构参数对其动力响应同样具有重要的影响。
其中包括海上风力机塔架、浮式平台、电缆等结构的高度、直径、厚度、刚度等参数。
这些参数的变化将直接影响海上风电场结构的自然振动频率，进而影响结构的动力响应。
二、运用优化设计提高海上风电场结构动力响应针对以上影响因素，结合国内外研究，提出以下几种优化设计方法，以提高其动力响应及发电效率：1.提高海上风力机塔架的刚度目前海上风力机塔架采用的主要是钢材结构，其刚度较低，容易受到外界环境因素的影响。
因此，针对海上环境的影响因素，可通过提高海上风力机塔架的刚度，改进塔架结构设计，抑制结构的振动幅值，从而降低结构的动力响应。
2.采用新型材料采用新型材料是另一种提高海上风电场结构动力响应的有效手段。
目前，旋转船式浮式风电场逐渐流行，对于减小平台振动具有一定的效果，同时，发展轻质复合材料，如碳纤维、玻璃纤维等，也对于提高结构刚度，减小风力机塔架直径、厚度、重量等表现出较好的效果。
3.改善基础条件海上风电场基础所建设的地点、土壤环境等条件的改善会对结构的动力响应产生一定的影响。
对于难以改善的生态环境，我们可以通过建设防波堤、加强地基支撑等方式来改善基础条件，提高结构的稳定性和安全性。
三、结语作为新型清洁能源的代表，海上风电场的结构及其动力响应是制约其运行及发电效率的主要因素。
风、浪、流荷载联合作用下海上升压站结构动力响应研究
风、浪、流荷载联合作用下海上升压站结构动力响应研究徐狄;张恒宇;陶安;王珂;苏凯
【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】2022(48)8
【摘要】台风作用引起的极端荷载对海上升压站的安全性构成了极大的威胁。
基于有限元软件建立海上升压站计算模型,采用线性滤波法的AR模型模拟脉动风,采用线性波浪叠加法及改进的JONSWAP谱模拟随机波浪场,研究了结构的自振特性和风、浪、流荷载作用下结构的动力响应特性。
结果表明:海上升压站结构的各阶自振频率均不在共振频率影响区域,可以保证结构不会与波浪发生共振;结构的响应随着波浪重现期或者台风风级的增大而增大,风荷载是海上升压站结构的主控荷载;风、浪、流荷载联合垂直作用于结构轴面时,会产生极端应力、位移响应,结构设计时应当在支撑柱交接部位进行加强处理。
【总页数】8页(P72-79)
【作者】徐狄;张恒宇;陶安;王珂;苏凯
【作者单位】浙江华东工程咨询有限公司;中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
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风浪流共同作用下海上风电基础动力响应与承载性能分析
风能是一种洁净无污染的可再生能源,其在优化能源结构与改善环境中具有重要的意义,是许多国家大力推广的新型能源。
同陆上风能相对比,海上风能具有低耗能、高产出的优点。
我国有7.5亿千瓦的风能资源,沿海一带从辽宁到山东,再到江苏、浙江、福建、广东、海南,均蕴藏着丰富的风能资源,但由于海洋环境条件的复杂性,开发利用近海风资源的规模和效益受到很大的制约;而风、波浪和海流等作为近海主要环境荷载对近海风机的正常运行起到决定性作用。
目前国内外学者针对陆上风电基础的研究较多,但由于海陆环境差异较大,陆上风电基础的研究方法和成果不能完全适用于海上风电基础,因此需要针对复杂海洋环境下的海上风机和基础进行研究分析,得到适用于海上风电基础的研究规律,从而为海上风电基础的设计和施工提供重要的参考依据。
为此,本文基于大型有限元软件COMSOL,以江苏盐城响水风电场项目为工程背景,建立了风浪流共同作用下海上风电基础动力响应与承载能力分析的有限元模型,对风浪流作用下的海上风电基础进行了动力响应与承载能力分析,具体研究工作如下:1、对作用在海上风机系统上的风浪流荷载进行了推导计算。
本文首先采用谐波叠加法结合风荷载计算公式模拟得到了近海风电场的风荷载时程;然后基于波流相互作用理论,采用非线性波浪理论并结合Morison方程对近海风机受到的波流荷载进行了计算,推导出了波流荷载的计算公式;最后基于二阶Stokes波浪理论对作用在海床表面上的波浪压力进行计算,得到了波浪压力的计算公式。
2、对风浪流共同作用下的海上风电基础与海床的动力响应进行了分析。
基
于海上风电基础与海床动力相互作用的有限元模型,本文采用Turkstra准则对
作用在海上风机系统上的三种主要荷载进行了荷载组合,对不同荷载组合条件下风机系统的塔筒的水平位移、竖向应力以及基础的水平位移等进行了动力分析,同时对风浪流荷载共同作用下桩基础周围海床的超孔隙水压力响应进行了计算,考察了不同的荷载参数对海床超孔隙水压力的影响。
3、对风浪流共同作用下的海上风电基础进行了承载能力分析。
基于海上风电基础与海床动力相互作用的弹塑性有限元模型,探讨了海上风电基础在水平、竖向、弯矩荷载作用下的单一荷载承载性能;并且采用荷载-位移联合搜寻法研究了海上风电基础在V-H、V-M、H-M以及V-H-M荷载空间内的地基承载力包络线及海床地基破坏模式,同时对不同荷载空间内的地基承载力包络线进行了参数分析。