地震作用下固定式海上风机耦合反应分析及振动控制研究
发布时间：2022-12-04 11:21
随着国家十三五规划的实施和社会发展的能源需求,在未来相当长一段时期内我国海上风电事业将迅猛发展。相对于陆上风电场,海上风电场将面临更为复杂的环境荷载条件,比如波浪荷载、风荷载、海流荷载及海冰荷载等。此外,对于我国部分特定海域,比如渤海湾和东海,近海风电场规划和建设必须考虑地震荷载。目前海上风电设计规范,对于海上风机地震设计工况的定义并不明确。比如IEC规范只是指出了对于海上风机地震工况需要考虑风机不同的运行状态,而对于地震工况下具体的控制策略并没有说明,而国内风机规范对于地震工况大多直接参考陆上风机设计规范或者建筑物抗震设计规范。因此有必要系统开展海上风机地震分析,以指导海上风机结构抗震设计,本文的主要研究内容包括:（1）固定海上风机整体结构动力模型实验基于弹性相似律和佛汝德数相似设计固定式海上风机整体结构动力实验模型,采用牛顿相似律保证原型与模型空气动力荷载中推力荷载相似,开展地震、风及波浪荷载单独和联合作用下的动力模型实验,验证环境荷载耦合效应对于地震作用下结构反应的影响。基于弹性相似律和佛汝德数相似建立水弹性相似律,依据水弹性相似律完成固定式海上风机整体结构动力实验模型设计;依据...
【文章页数】：253 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 研究背景及国内外研究综述
1.1 究背景及研究意义
1.2 国内外海上风机研究综述
1.2.1 海上风机分析方法的演化
1.2.2 海上风机动力反应研究
1.2.3 地震作用下海上风机动力反应分析
1.2.4 海上风机耦合分析中的热点问题
1.2.5 基于整体耦合方法的海上风机数值分析工具
1.3 研究目标及研究方法
1.3.1 研究目标
1.3.2 研究方法
2 样本风机设计及安全评价
2.1 样本风机设计
2.1.1 NREL 5MW风机基本参数
2.1.2 样本风机环境荷载参数
2.1.3 样本风机基本参数
2.1.4 样本风机桩基参数
2.2 样本风机安全评价
2.2.1 样本风机半整体模型
2.2.2 校核工况
2.2.3 基础结构承载力校核
2.3 基于简化整体模型的样本风机动力特性计算
2.4 本章小结
3 样本风机结构动力模型实验
3.1 实验方案
3.2 相似准则
3.2.1 水弹性相似律
3.2.2 牛顿相似准则
3.3 样本风机动力实验模型设计
3.3.1 支撑结构实验模型设计
3.3.2 桩土相互作用的实验模拟
3.3.3 风机叶片的实验模拟
3.3.4 地震实验设计工况
3.4 实验设备及传感器布置
3.4.1 简易风场模拟系统的开发
3.4.2 波流和地震联合模拟系统
3.4.3 实验模型传感器布置
3.5 模型实验相似准则验证
3.6 实验数据分析
3.6.1 地震荷载单独作用下的结构反应
3.6.2 稳态风场作用下的结构反应
3.6.3 规则波浪和均匀海流作用下的结构反应
3.6.4 地震和风荷载联合作用下结构反应
3.6.5 地震和海况荷载联合作用下结构反应
3.6.6 地震、风和波流荷载联合作用下的结构反应
3.7 本章小结
4 地震作用下海上风机整体耦合分析理论
4.1 空气动力学基本理论
4.1.1 一维动量理论
4.1.2 叶素-动量理论(BEM)
4.1.3 普朗特叶尖损失因子(Pratel Tip Loss Factor)
4.1.4 葛朗沃特修正(Glauert Correction for High Values of a)
4.2 水动力荷载计算模型
4.2.1 Morison方程
4.2.2 势流理论
4.2.3 波浪理论方法对比
4.3 地震荷载计算模型
4.4 空气动力荷载和波浪联合作用下海上风机运动方程
4.5 地震、风和波浪联合作用下海上风机运动方程
4.6 本章小结
5 地震作用下固定式海上风机动力响应
5.1 地震作用下海上风机计算工况
5.1.1 海上风机设计规范规定的地震组合工况
5.1.2 地震波选取
5.1.3 海上风机地震反应分析计算工况
5.2 样本风机整体耦合模型的建立
5.2.1 地震作用下海上风机整体耦合分析模型
5.2.2 地震荷载计算模块验证-地震单独作用
5.2.3 地震荷载计算模块验证-空气动力荷载与地震联合作用
5.3 样本风机整体结构动力特性
5.4 地震作用下样本风机叶尖位移反应
5.5 地震作用下风机塔筒加速度反应
5.6 地震作用下样本风机基础反应
5.7 本章小结
6 地震、风和波浪联合作用下海上风机耦合反应分析
6.1 环境因素计算方法
6.1.1 湍流模型
6.1.2 波浪谱模型
6.2 风和波浪联合作用下海上风机耦合反应分析
6.2.1 风和波浪联合作用下叶尖位移
6.2.2 风和波浪联合作用下样本风机塔筒反应
6.2.3 风和波浪联合作用下样本风机基础反应
6.3 地震、风和波浪联合作用下样本风机整体耦合反应分析
6.3.1 地震组合工况作用下叶尖位移反应
6.3.2 地震组合工况作用下风机塔筒动力反应
6.3.3 地震组合工况下风机基础反应
6.4 侧向地震作用下样本风机反应对比
6.4.1 侧向地震作用下叶尖位移对比
6.4.2 侧向地震作用下塔筒加速度对比
6.4.3 侧向地震作用下基础反应对比
6.5 地震作用下样本风机伺服控制策略初步研究
6.5.1 风机叶片桨矩角和高速传动轴转速
6.5.2 顺桨制动作用下的风机叶片位移
6.5.3 顺桨制动作用下的风机塔筒加速度
6.5.4 顺桨制动作用下的风机基础反应
6.6 各计算工况下样本风机结构反应对比
6.6.1 各工况下样本风机叶尖位移反应对比
6.6.2 各工况下样本风机塔筒加速度对比
6.6.3 各工况下样本风机基础反应对比
6.7 本章小结
7 海上风机TMD控制研究
7.1 TMD耦合运动控制方程
7.2 地震荷载单独作用工况
7.2.1 地震荷载作用下叶尖位移的TMD控制
7.2.2 地震荷载作用下风机塔筒加速度的TMD控制
7.2.3 地震荷载作用下风机基础倾覆力矩的TMD控制
7.2.4 地震荷载作用下样本风机最优TMD控制方案
7.3 空气动力荷载和波浪荷载联合作用工况
7.3.1 环境荷载联合作用工况叶尖位移的TMD控制
7.3.2 环境荷载联合作用工况塔筒加速度的TMD控制
7.3.3 环境荷载联合作用工况风机基础倾覆力矩的TMD控制
7.3.4 环境荷载组合工况下样本风机最优TMD控制方案
7.4 本章小结
8 地震组合工况下海上风机MTMD控制方法
8.1 MTMD耦合运动控制方程
8.2 MTMD设计参数
8.3 单独地震工况MTMD控制
8.3.1 单独地震作用叶尖位移MTMD控制
8.3.2 单独地震作用塔筒加速度MTMD控制
8.3.3 单独地震作用基础倾覆力矩MTMD控制
8.3.4 单独地震作用下最有效控制方案对比
8.4 空气动力荷载与波浪荷载组合工况MTMD控制
8.4.1 环境荷载组合工况叶尖位移MTMD控制
8.4.2 环境荷载组合工况塔筒顶部加速度MTMD控制
8.4.3 环境荷载组合工况基础倾覆力矩MTMD控制
8.4.4 环境荷载组合工况下最有效控制方案对比
8.5 地震组合工况MTMD控制
8.5.1 地震组合工况叶尖位移MTMD控制
8.5.2 地震组合工况塔筒加速度MTMD控制
8.5.3 地震组合工况风机基础倾覆力矩MTMD控制
8.5.4 地震组合工况最有效控制方案对比
8.6 本章小结
9 结论与展望
9.1 结论
9.2 创新点
9.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]冰区海上风机的动力响应及疲劳分析[J]. 张毅,马永亮,曲先强,韩超帅. 舰船科学技术. 2018(01)
[2]海上风机在三种风载荷作用下的疲劳分析方法研究（英文）[J]. 韩超帅,马永亮,曲先强,张猛. 船舶力学. 2017(12)
[3]单桩海上风机灌浆连接的抗震性能研究[J]. 莫仁杰,康海贵,Li Miao,龙丽吉. 可再生能源. 2017(10)
[4]三脚架式海上风电支撑结构流固耦合动力分析[J]. 张力伟,李昕. 可再生能源. 2017(05)
[5]Modelling windwave driven by typhoon Chan-Hom （201509） in the East China Sea[J]. H.Q.Zhang,B.C.Nie. Theoretical ＆ Applied Mechanics Letters. 2016(06)
[6]台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究[J]. 任年鑫,李炜,李玉刚. 太阳能学报. 2016(02)
[7]海上风力机基础结构疲劳损伤研究[J]. 王滨,李昕,明小燕. 太阳能学报. 2015(03)
[8]Shaking table test and numerical analysis of offshore wind turbine tower systems controlled by TLCD[J]. Chen Jianbing,Liu Youkun,Bai Xueyuan. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 2015(01)
[9]近海单桩风机在波浪地震联合作用下的动力特性分析[J]. 荣维栋,李洪斌. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[10]海上风机Tripod基础结构的控制工况与控制荷载方向分析[J]. 明小燕,王滨,李昕,徐建强. 水电能源科学. 2013(11)
博士论文
[1]新型海上风机浮式基础设计与风机系统耦合动力分析[D]. 李嘉文.天津大学 2014
硕士论文
[1]海上风机三脚架基础结构分析[D]. 明小燕.大连理工大学 2013
[2]海上风电单立柱三桩结构动力耦合分析及优化设计研究[D]. 王鹏.中国海洋大学 2011
[3]近海风电机组单桩式支撑结构疲劳分析[D]. 莫继华.上海交通大学 2011
[4]海上风机结构动力反应分析[D]. 陈法波.大连理工大学 2010
[5]海上风力发电机组塔架在风波联合作用下的动力分析及疲劳分析[D]. 刘胜祥.广东工业大学 2008
本文编号：3708163
【文章页数】：253 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 研究背景及国内外研究综述
1.1 究背景及研究意义
1.2 国内外海上风机研究综述
1.2.1 海上风机分析方法的演化
1.2.2 海上风机动力反应研究
1.2.3 地震作用下海上风机动力反应分析
1.2.4 海上风机耦合分析中的热点问题
1.2.5 基于整体耦合方法的海上风机数值分析工具
1.3 研究目标及研究方法
1.3.1 研究目标
1.3.2 研究方法
2 样本风机设计及安全评价
2.1 样本风机设计
2.1.1 NREL 5MW风机基本参数
2.1.2 样本风机环境荷载参数
2.1.3 样本风机基本参数
2.1.4 样本风机桩基参数
2.2 样本风机安全评价
2.2.1 样本风机半整体模型
2.2.2 校核工况
2.2.3 基础结构承载力校核
2.3 基于简化整体模型的样本风机动力特性计算
2.4 本章小结
3 样本风机结构动力模型实验
3.1 实验方案
3.2 相似准则
3.2.1 水弹性相似律
3.2.2 牛顿相似准则
3.3 样本风机动力实验模型设计
3.3.1 支撑结构实验模型设计
3.3.2 桩土相互作用的实验模拟
3.3.3 风机叶片的实验模拟
3.3.4 地震实验设计工况
3.4 实验设备及传感器布置
3.4.1 简易风场模拟系统的开发
3.4.2 波流和地震联合模拟系统
3.4.3 实验模型传感器布置
3.5 模型实验相似准则验证
3.6 实验数据分析
3.6.1 地震荷载单独作用下的结构反应
3.6.2 稳态风场作用下的结构反应
3.6.3 规则波浪和均匀海流作用下的结构反应
3.6.4 地震和风荷载联合作用下结构反应
3.6.5 地震和海况荷载联合作用下结构反应
3.6.6 地震、风和波流荷载联合作用下的结构反应
3.7 本章小结
4 地震作用下海上风机整体耦合分析理论
4.1 空气动力学基本理论
4.1.1 一维动量理论
4.1.2 叶素-动量理论(BEM)
4.1.3 普朗特叶尖损失因子(Pratel Tip Loss Factor)
4.1.4 葛朗沃特修正(Glauert Correction for High Values of a)
4.2 水动力荷载计算模型
4.2.1 Morison方程
4.2.2 势流理论
4.2.3 波浪理论方法对比
4.3 地震荷载计算模型
4.4 空气动力荷载和波浪联合作用下海上风机运动方程
4.5 地震、风和波浪联合作用下海上风机运动方程
4.6 本章小结
5 地震作用下固定式海上风机动力响应
5.1 地震作用下海上风机计算工况
5.1.1 海上风机设计规范规定的地震组合工况
5.1.2 地震波选取
5.1.3 海上风机地震反应分析计算工况
5.2 样本风机整体耦合模型的建立
5.2.1 地震作用下海上风机整体耦合分析模型
5.2.2 地震荷载计算模块验证-地震单独作用
5.2.3 地震荷载计算模块验证-空气动力荷载与地震联合作用
5.3 样本风机整体结构动力特性
5.4 地震作用下样本风机叶尖位移反应
5.5 地震作用下风机塔筒加速度反应
5.6 地震作用下样本风机基础反应
5.7 本章小结
6 地震、风和波浪联合作用下海上风机耦合反应分析
6.1 环境因素计算方法
6.1.1 湍流模型
6.1.2 波浪谱模型
6.2 风和波浪联合作用下海上风机耦合反应分析
6.2.1 风和波浪联合作用下叶尖位移
6.2.2 风和波浪联合作用下样本风机塔筒反应
6.2.3 风和波浪联合作用下样本风机基础反应
6.3 地震、风和波浪联合作用下样本风机整体耦合反应分析
6.3.1 地震组合工况作用下叶尖位移反应
6.3.2 地震组合工况作用下风机塔筒动力反应
6.3.3 地震组合工况下风机基础反应
6.4 侧向地震作用下样本风机反应对比
6.4.1 侧向地震作用下叶尖位移对比
6.4.2 侧向地震作用下塔筒加速度对比
6.4.3 侧向地震作用下基础反应对比
6.5 地震作用下样本风机伺服控制策略初步研究
6.5.1 风机叶片桨矩角和高速传动轴转速
6.5.2 顺桨制动作用下的风机叶片位移
6.5.3 顺桨制动作用下的风机塔筒加速度
6.5.4 顺桨制动作用下的风机基础反应
6.6 各计算工况下样本风机结构反应对比
6.6.1 各工况下样本风机叶尖位移反应对比
6.6.2 各工况下样本风机塔筒加速度对比
6.6.3 各工况下样本风机基础反应对比
6.7 本章小结
7 海上风机TMD控制研究
7.1 TMD耦合运动控制方程
7.2 地震荷载单独作用工况
7.2.1 地震荷载作用下叶尖位移的TMD控制
7.2.2 地震荷载作用下风机塔筒加速度的TMD控制
7.2.3 地震荷载作用下风机基础倾覆力矩的TMD控制
7.2.4 地震荷载作用下样本风机最优TMD控制方案
7.3 空气动力荷载和波浪荷载联合作用工况
7.3.1 环境荷载联合作用工况叶尖位移的TMD控制
7.3.2 环境荷载联合作用工况塔筒加速度的TMD控制
7.3.3 环境荷载联合作用工况风机基础倾覆力矩的TMD控制
7.3.4 环境荷载组合工况下样本风机最优TMD控制方案
7.4 本章小结
8 地震组合工况下海上风机MTMD控制方法
8.1 MTMD耦合运动控制方程
8.2 MTMD设计参数
8.3 单独地震工况MTMD控制
8.3.1 单独地震作用叶尖位移MTMD控制
8.3.2 单独地震作用塔筒加速度MTMD控制
8.3.3 单独地震作用基础倾覆力矩MTMD控制
8.3.4 单独地震作用下最有效控制方案对比
8.4 空气动力荷载与波浪荷载组合工况MTMD控制
8.4.1 环境荷载组合工况叶尖位移MTMD控制
8.4.2 环境荷载组合工况塔筒顶部加速度MTMD控制
8.4.3 环境荷载组合工况基础倾覆力矩MTMD控制
8.4.4 环境荷载组合工况下最有效控制方案对比
8.5 地震组合工况MTMD控制
8.5.1 地震组合工况叶尖位移MTMD控制
8.5.2 地震组合工况塔筒加速度MTMD控制
8.5.3 地震组合工况风机基础倾覆力矩MTMD控制
8.5.4 地震组合工况最有效控制方案对比
8.6 本章小结
9 结论与展望
9.1 结论
9.2 创新点
9.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]冰区海上风机的动力响应及疲劳分析[J]. 张毅,马永亮,曲先强,韩超帅. 舰船科学技术. 2018(01)
[2]海上风机在三种风载荷作用下的疲劳分析方法研究（英文）[J]. 韩超帅,马永亮,曲先强,张猛. 船舶力学. 2017(12)
[3]单桩海上风机灌浆连接的抗震性能研究[J]. 莫仁杰,康海贵,Li Miao,龙丽吉. 可再生能源. 2017(10)
[4]三脚架式海上风电支撑结构流固耦合动力分析[J]. 张力伟,李昕. 可再生能源. 2017(05)
[5]Modelling windwave driven by typhoon Chan-Hom （201509） in the East China Sea[J]. H.Q.Zhang,B.C.Nie. Theoretical ＆ Applied Mechanics Letters. 2016(06)
[6]台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究[J]. 任年鑫,李炜,李玉刚. 太阳能学报. 2016(02)
[7]海上风力机基础结构疲劳损伤研究[J]. 王滨,李昕,明小燕. 太阳能学报. 2015(03)
[8]Shaking table test and numerical analysis of offshore wind turbine tower systems controlled by TLCD[J]. Chen Jianbing,Liu Youkun,Bai Xueyuan. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 2015(01)
[9]近海单桩风机在波浪地震联合作用下的动力特性分析[J]. 荣维栋,李洪斌. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[10]海上风机Tripod基础结构的控制工况与控制荷载方向分析[J]. 明小燕,王滨,李昕,徐建强. 水电能源科学. 2013(11)
博士论文
[1]新型海上风机浮式基础设计与风机系统耦合动力分析[D]. 李嘉文.天津大学 2014
硕士论文
[1]海上风机三脚架基础结构分析[D]. 明小燕.大连理工大学 2013
[2]海上风电单立柱三桩结构动力耦合分析及优化设计研究[D]. 王鹏.中国海洋大学 2011
[3]近海风电机组单桩式支撑结构疲劳分析[D]. 莫继华.上海交通大学 2011
[4]海上风机结构动力反应分析[D]. 陈法波.大连理工大学 2010
[5]海上风力发电机组塔架在风波联合作用下的动力分析及疲劳分析[D]. 刘胜祥.广东工业大学 2008
本文编号：3708163
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