基于土基-结构耦合作用的风力机塔架地震时频特性分析
发布时间：2021-07-12 22:11
为研究不同土质时地震载荷对大型风力机结构动力学响应的影响,基于Wolf方法建立风力机基础平台与土体的耦合模型,通过FAST软件仿真Wind PACT 1.5 MW风力机在不同土质和不同地震强度时塔架的动力学响应。通过分析不同工况下风力机的结构动力学响应,发现地震载荷对塔顶位移和塔基弯矩的影响不可忽略,尤其是塔顶侧向位移和塔基俯仰力矩。在九级设防烈度地震作用下,相比无地震工况,软土、硬黏土和岩土地质风力机塔顶侧向位移分别增大925%、785%和771%。且由于软土阻尼最小,能量耗散小,所以地震后塔架响应降低的速率最慢。
【文章来源】：热能动力工程. 2018,33(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
土－构耦合模型Fig．1Asoilbody-structurecoupledmodel
?问?［22］Tab．2MainparametersofaWindPACT1．5MWwindturbine［22］参数数值额定功率/MW1．5额定风速/m·s－112．0叶片数3风轮直径/m70轮毂直径/m3．5塔架高度/m82．39轮毂质量/kg15148叶片质量/kg5043机舱质量/kg51170塔架质量/kg1317661．3仿真流程风场仿真软件、地震及动力学模拟软件采用NＲEL的计算机辅助设计软件包。联合TurbSim(湍流风模拟)、AeroDyn(空气动力学)、Sesimic(地震)和FAST建立风力机动力学仿真模型。具体步骤如图3所示。图3地震动力学仿真流程图Fig．3Chartshowingtheflowpathofthesimulationbyusingtheseismicdynamics2载荷计算2．1地震加速度谱及地震载荷计算通常采用加速度时程的方式表示地震波。根据抗震设计规范生成地震反应谱，图2为国标GB50011－2010定义的标准地震反应谱［23］。图4中，αmax为地面设计加速度峰值(g，g=9．8m/s2);γ—衰减系数;η1—直线下降段的斜率调整系数;Tg—特征周期，s;η2—阻尼调整系数，T—结构自振周期，s。当结构阻尼比不为5%时，地震影响系数曲线的阻尼修正系数和形状参数应符合标准规定。曲线下降段的衰减系数γ:γ=0．9+0．05－ξ0．3+6ξ(3)直线下降段的下降斜率修正系数η1(当η1小于0时取0):η1=0．02+0．05－ξ4+32ξ(4)阻尼修正系数η2(当η2小于0．55时，应取·131·
热能动力工程2018年0．55):η2=1+0．05－ξ0．08+1．6ξ(5)式中:ξ—阻尼系数，ξ=5%。图4反应谱示意图Fig．4Schematicdiagramoftheresponsespectrum对于特定的风电场，需要根据当地土质和设计抗震强度等条件，选择合适的地面设计加速度峰值amax和特征周期Tg，然后对上述加速度反应谱进行模拟，即可得到人工合成的地震加速度时程。根据我国建筑抗震设计规范GB50011－2010［24］，可以确定特征周期Tg及地面设计加速度峰值αmax，如表3和表4所示，表4中g(9．8m·s－2)为重力加速度。表3特征周期取值Tab．3Valueofthecharacteristicperiodchosen土质Tg/s软土0．55硬黏土0．45岩土0．25表4地面设计加速度峰值Tab．4Peakvalueoftheaccelerationonthegroundsurfacedesigned地震烈度amax/g70．0880．1690．32根据3种不同的土质和3种不同的地面设计加速度峰值，一共计算了9种地震的反应谱和加速度谱。图5为软土时九级烈度地震的目标谱匹配情况，对应的地震加速度匹配前后时域变化情况如图6所示。图5目标响应谱匹配情况Fig．5Targetresponsespectrummatched图6实际加速度时域变化Fig．6Changesoftheactualaccelerationinthetime-domain地震发生时，基础平台的目标加速度为地震加速度，此时基础平台α方向地震载荷Fα为:Fα=－Kα(Dα－Dα，t)－Cα(Uα－Uα，t)(6)式中:α—方向，即图1中的x，y，z;Dα、Uα—基础平台α方向的实际位移，m和实际运动速?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于HHT方法的非稳定工况风力机结构动态响应时频特性分析[J]. 杨阳,李春,叶柯华,缪维跑,阳君,高伟. 振动与冲击. 2016(21)
[2]湍流风场与地震激励联合作用下的风力机结构动力学响应[J]. 杨阳,李春,缪维跑,叶舟,吴攀. 振动与冲击. 2015(21)
[3]风力机塔架在风—地震作用下的动力响应[J]. 曹必锋,衣传宝. 噪声与振动控制. 2014(04)
[4]适用于风电塔抗震设计的低阻尼反应谱[J]. 戴靠山,公常清,黄益超,任晓崧. 地震工程与工程振动. 2013(06)
[5]风电塔非线性地震动力响应规律与极限值评价[J]. 宋波,曾洁. 北京科技大学学报. 2013(10)
[6]风力发电机组的有限元分析及动力特性研究[J]. 祝磊,叶桢翔. 特种结构. 2012(05)
[7]考虑土-结构相互作用的风力发电高塔系统地震动力响应分析[J]. 贺广零. 机械工程学报. 2009(07)
硕士论文
[1]风况特性及地震载荷对风力机性能与结构影响研究[D]. 吴攀.上海理工大学 2014
[2]基于FAST软件的大型风力发电机组系统建模与控制研究[D]. 熊海洋.重庆大学 2014
本文编号：3280754
【文章来源】：热能动力工程. 2018,33(02)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
土－构耦合模型Fig．1Asoilbody-structurecoupledmodel
?问?［22］Tab．2MainparametersofaWindPACT1．5MWwindturbine［22］参数数值额定功率/MW1．5额定风速/m·s－112．0叶片数3风轮直径/m70轮毂直径/m3．5塔架高度/m82．39轮毂质量/kg15148叶片质量/kg5043机舱质量/kg51170塔架质量/kg1317661．3仿真流程风场仿真软件、地震及动力学模拟软件采用NＲEL的计算机辅助设计软件包。联合TurbSim(湍流风模拟)、AeroDyn(空气动力学)、Sesimic(地震)和FAST建立风力机动力学仿真模型。具体步骤如图3所示。图3地震动力学仿真流程图Fig．3Chartshowingtheflowpathofthesimulationbyusingtheseismicdynamics2载荷计算2．1地震加速度谱及地震载荷计算通常采用加速度时程的方式表示地震波。根据抗震设计规范生成地震反应谱，图2为国标GB50011－2010定义的标准地震反应谱［23］。图4中，αmax为地面设计加速度峰值(g，g=9．8m/s2);γ—衰减系数;η1—直线下降段的斜率调整系数;Tg—特征周期，s;η2—阻尼调整系数，T—结构自振周期，s。当结构阻尼比不为5%时，地震影响系数曲线的阻尼修正系数和形状参数应符合标准规定。曲线下降段的衰减系数γ:γ=0．9+0．05－ξ0．3+6ξ(3)直线下降段的下降斜率修正系数η1(当η1小于0时取0):η1=0．02+0．05－ξ4+32ξ(4)阻尼修正系数η2(当η2小于0．55时，应取·131·
热能动力工程2018年0．55):η2=1+0．05－ξ0．08+1．6ξ(5)式中:ξ—阻尼系数，ξ=5%。图4反应谱示意图Fig．4Schematicdiagramoftheresponsespectrum对于特定的风电场，需要根据当地土质和设计抗震强度等条件，选择合适的地面设计加速度峰值amax和特征周期Tg，然后对上述加速度反应谱进行模拟，即可得到人工合成的地震加速度时程。根据我国建筑抗震设计规范GB50011－2010［24］，可以确定特征周期Tg及地面设计加速度峰值αmax，如表3和表4所示，表4中g(9．8m·s－2)为重力加速度。表3特征周期取值Tab．3Valueofthecharacteristicperiodchosen土质Tg/s软土0．55硬黏土0．45岩土0．25表4地面设计加速度峰值Tab．4Peakvalueoftheaccelerationonthegroundsurfacedesigned地震烈度amax/g70．0880．1690．32根据3种不同的土质和3种不同的地面设计加速度峰值，一共计算了9种地震的反应谱和加速度谱。图5为软土时九级烈度地震的目标谱匹配情况，对应的地震加速度匹配前后时域变化情况如图6所示。图5目标响应谱匹配情况Fig．5Targetresponsespectrummatched图6实际加速度时域变化Fig．6Changesoftheactualaccelerationinthetime-domain地震发生时，基础平台的目标加速度为地震加速度，此时基础平台α方向地震载荷Fα为:Fα=－Kα(Dα－Dα，t)－Cα(Uα－Uα，t)(6)式中:α—方向，即图1中的x，y，z;Dα、Uα—基础平台α方向的实际位移，m和实际运动速?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于HHT方法的非稳定工况风力机结构动态响应时频特性分析[J]. 杨阳,李春,叶柯华,缪维跑,阳君,高伟. 振动与冲击. 2016(21)
[2]湍流风场与地震激励联合作用下的风力机结构动力学响应[J]. 杨阳,李春,缪维跑,叶舟,吴攀. 振动与冲击. 2015(21)
[3]风力机塔架在风—地震作用下的动力响应[J]. 曹必锋,衣传宝. 噪声与振动控制. 2014(04)
[4]适用于风电塔抗震设计的低阻尼反应谱[J]. 戴靠山,公常清,黄益超,任晓崧. 地震工程与工程振动. 2013(06)
[5]风电塔非线性地震动力响应规律与极限值评价[J]. 宋波,曾洁. 北京科技大学学报. 2013(10)
[6]风力发电机组的有限元分析及动力特性研究[J]. 祝磊,叶桢翔. 特种结构. 2012(05)
[7]考虑土-结构相互作用的风力发电高塔系统地震动力响应分析[J]. 贺广零. 机械工程学报. 2009(07)
硕士论文
[1]风况特性及地震载荷对风力机性能与结构影响研究[D]. 吴攀.上海理工大学 2014
[2]基于FAST软件的大型风力发电机组系统建模与控制研究[D]. 熊海洋.重庆大学 2014
本文编号：3280754
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