地震强度对小型风力机动力学响应影响研究
发布时间：2021-07-20 03:53
为研究地震强度与小型风力机塔架动力学响应之间的关系,以AOC 50 kW风力机为研究对象,采用Wolf理论建立土-构耦合模型,基于FAST（多体动力学仿真软件）预留数据接口,开发地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震实时耦合的动力学仿真模型。通过比例缩放ASCE（美国土木工程师协会）标准地震反应谱,得到了20种不同强度的PSA（设计加速度）,从而计算不同地震与湍流风联合作用下的风力机结构动力学响应。结果表明:PSA为0.6 g（g为9.806 65 m/s2）时,塔基弯矩增大133.3%,但地震强度对塔顶弯矩影响较小。随着地震强度的增大,塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性,塔架不同高度处的最大剪切力与高度之间的关系维持线性。此外,在地震载荷与风载荷共同作用下,IEC（国际电工委员会）和AWEA/ASCE（美国风能协会/美国土木工程师协会）载荷预估模型结果偏大。本文提出了一种新的高精度预估模型,可为小型风力机地震载荷预估和预防地震风险提供一定的参考。
【文章来源】：热能动力工程. 2018,33(01)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
风力机轮毂高度处风速时域变化
中:mij—广义质量，kg;kij—广义刚度，N/m。塔架的广义质量和广义刚度定义分别为:mij=mtop+∫H0ρ(h)φi(h)φj(h)dh(12)kij=∫H0EIT(h)d2φi(h)dh2d2φj(h)dh2dh－g∫H0［mtop+∫Hhρ(h')dh'］dφi(h)dhdφj(h)dhdh(13)式中:mtop—塔架顶部质量，其值为机舱、风轮及偏航装置质量之和，kg;EIT(h)—塔架高度h处的刚度，N/m;ρ(h)—塔架高度h处的密度，kg/m3;H—塔架高度，m。图2动力学仿真流程图Fig．2Flowchartofdynamicsimulation同样，塔架每一阶模态χi(h)均可用形函数叠加来表示，定义如式(14)。FAST中考虑了塔架前4阶模态振型，因此，塔架位移可表示为:χi(h)=∑Ni=1Ci，jφi(h)(j=1，2，…，N)(14)u(h，t)=∑4i=1qi(t)χi(h)(15)假设塔架以n阶模态χn(h)振动，相应的广义坐标为qn(t)=Ansin(ωnt+ψn)。则形函数对应的广义坐标可表示为:ci(t)=qn(t)Cn，i(i=1，2，．．．，N)(16)代入公式(11)并以矩阵形式表示:(－ω2［M］+［K］){C}={0}(17)式中:ω—塔架固有频率，Hz;［M］—广义质量矩阵，kg;［K］—广义刚度矩阵。公式(13)为矩阵［M］－1［K］的特征值问题，解之可得到塔架自振频率和各阶模态参与系数。取塔架前4阶模态，采用模态法建立塔架动力学模型。从而得到塔架受迫振动方程:Mq¨(t)+Cq·(t)+Kq(t)=F(q·，q，t)(18)式中:C—阻尼，N·m/s;F(q·，q，t)—广义力，包含气动力、地震力及重力，N。广义质量M和广义刚度K的表达式与式(8)、式(9)相似，只需要将形函数?
热能动力工程2018年图3风力机基础平台与土体耦合模型Fig．3WindturbinefoundationplatformandlandcouplingmodelCx=Cy=4．6Ｒ2s2－μsGsρ槡s，Cz=3．4Ｒ2s1－μsGsρ槡s(20)式中:下标x、y—水平方向，下标z—垂直方向;Gs、ρs—土体的切变模量、密度，Gpa、kg/m3;μs—泊松比;Ｒs—基础平台的半径，m。2．3地震加速度谱及地震载荷计算地震加速度采用匹配目标响应谱的方法计算［15］，目标响应谱如图4所示。图4目标响应谱示意图Fig．4Schematicdiagramoftargetresponsespectrum图中，Sa(t)为目标响应谱，ag为地面设计加速度峰值，TB、TC为加速度谱周期常数范围限值参数;TD为位移响应周期常数值，其值由所在场地类别决定，A类场地中，其分别为0．15、0．4和2．0s;q为性能参数，表示结构延性，取值为1。η=［10/(5+ξ)］0．5，为阻尼修正系数，其值应大于0．55，一般取值为1，此时粘性阻尼百分比ξ为5%。选用ASCE－07标准地震反应谱为目标匹配谱，通过比例缩放，计算了20种不同强度的地震加速度谱，地震时长均为50s。图5为ag分别为0．4g(工况一)、0．9g(工况二)和2．2g(工况三)时x方向的加速度目标谱匹配情况及加速度时域变化。从图中可以看出，本文所选研究对象AOC50kW风力机的系统自振周期为0．64s，对应的PSA分别为0．57、1．14和1．79g，匹配后的PSA分别为0．57、1．15和1．78g。偏差分别为0%、0．1%和0．1%，均小于0．1%，说明匹配后的加速度具有目标反应谱的特征［16］。图5不同强度地震x方向加速度目标反应谱匹配情况及时域变化Fig．5Theresponsespectrummatchingandtimedomainchangesofthexd
【参考文献】：
期刊论文
[1]风电塔结构抗震设计的地震作用取值研究[J]. 沈华,戴靠山,翁大根. 地震工程与工程振动. 2016(03)
[2]风场风谱模型的分形维数研究[J]. 李倩倩,李春,杨阳,阚威. 能源工程. 2016(02)
[3]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)
[4]大型风电机组地震载荷计算方法优化[J]. 韩花丽,张根保,杨妍妮,董晔弘. 太阳能学报. 2014(11)
[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]风力发电机组塔架底部地震剪力、弯矩计算方法研究[J]. 季亮,祝磊,叶桢翔. 土木工程学报. 2013(S1)
[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)
本文编号：3292070
【文章来源】：热能动力工程. 2018,33(01)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
风力机轮毂高度处风速时域变化
中:mij—广义质量，kg;kij—广义刚度，N/m。塔架的广义质量和广义刚度定义分别为:mij=mtop+∫H0ρ(h)φi(h)φj(h)dh(12)kij=∫H0EIT(h)d2φi(h)dh2d2φj(h)dh2dh－g∫H0［mtop+∫Hhρ(h')dh'］dφi(h)dhdφj(h)dhdh(13)式中:mtop—塔架顶部质量，其值为机舱、风轮及偏航装置质量之和，kg;EIT(h)—塔架高度h处的刚度，N/m;ρ(h)—塔架高度h处的密度，kg/m3;H—塔架高度，m。图2动力学仿真流程图Fig．2Flowchartofdynamicsimulation同样，塔架每一阶模态χi(h)均可用形函数叠加来表示，定义如式(14)。FAST中考虑了塔架前4阶模态振型，因此，塔架位移可表示为:χi(h)=∑Ni=1Ci，jφi(h)(j=1，2，…，N)(14)u(h，t)=∑4i=1qi(t)χi(h)(15)假设塔架以n阶模态χn(h)振动，相应的广义坐标为qn(t)=Ansin(ωnt+ψn)。则形函数对应的广义坐标可表示为:ci(t)=qn(t)Cn，i(i=1，2，．．．，N)(16)代入公式(11)并以矩阵形式表示:(－ω2［M］+［K］){C}={0}(17)式中:ω—塔架固有频率，Hz;［M］—广义质量矩阵，kg;［K］—广义刚度矩阵。公式(13)为矩阵［M］－1［K］的特征值问题，解之可得到塔架自振频率和各阶模态参与系数。取塔架前4阶模态，采用模态法建立塔架动力学模型。从而得到塔架受迫振动方程:Mq¨(t)+Cq·(t)+Kq(t)=F(q·，q，t)(18)式中:C—阻尼，N·m/s;F(q·，q，t)—广义力，包含气动力、地震力及重力，N。广义质量M和广义刚度K的表达式与式(8)、式(9)相似，只需要将形函数?
热能动力工程2018年图3风力机基础平台与土体耦合模型Fig．3WindturbinefoundationplatformandlandcouplingmodelCx=Cy=4．6Ｒ2s2－μsGsρ槡s，Cz=3．4Ｒ2s1－μsGsρ槡s(20)式中:下标x、y—水平方向，下标z—垂直方向;Gs、ρs—土体的切变模量、密度，Gpa、kg/m3;μs—泊松比;Ｒs—基础平台的半径，m。2．3地震加速度谱及地震载荷计算地震加速度采用匹配目标响应谱的方法计算［15］，目标响应谱如图4所示。图4目标响应谱示意图Fig．4Schematicdiagramoftargetresponsespectrum图中，Sa(t)为目标响应谱，ag为地面设计加速度峰值，TB、TC为加速度谱周期常数范围限值参数;TD为位移响应周期常数值，其值由所在场地类别决定，A类场地中，其分别为0．15、0．4和2．0s;q为性能参数，表示结构延性，取值为1。η=［10/(5+ξ)］0．5，为阻尼修正系数，其值应大于0．55，一般取值为1，此时粘性阻尼百分比ξ为5%。选用ASCE－07标准地震反应谱为目标匹配谱，通过比例缩放，计算了20种不同强度的地震加速度谱，地震时长均为50s。图5为ag分别为0．4g(工况一)、0．9g(工况二)和2．2g(工况三)时x方向的加速度目标谱匹配情况及加速度时域变化。从图中可以看出，本文所选研究对象AOC50kW风力机的系统自振周期为0．64s，对应的PSA分别为0．57、1．14和1．79g，匹配后的PSA分别为0．57、1．15和1．78g。偏差分别为0%、0．1%和0．1%，均小于0．1%，说明匹配后的加速度具有目标反应谱的特征［16］。图5不同强度地震x方向加速度目标反应谱匹配情况及时域变化Fig．5Theresponsespectrummatchingandtimedomainchangesofthexd
【参考文献】：
期刊论文
[1]风电塔结构抗震设计的地震作用取值研究[J]. 沈华,戴靠山,翁大根. 地震工程与工程振动. 2016(03)
[2]风场风谱模型的分形维数研究[J]. 李倩倩,李春,杨阳,阚威. 能源工程. 2016(02)
[3]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)
[4]大型风电机组地震载荷计算方法优化[J]. 韩花丽,张根保,杨妍妮,董晔弘. 太阳能学报. 2014(11)
[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]风力发电机组塔架底部地震剪力、弯矩计算方法研究[J]. 季亮,祝磊,叶桢翔. 土木工程学报. 2013(S1)
[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)
本文编号：3292070
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