考虑结构弹性耦合的浮式风机整体系统动响应分析

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dongwujunye
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随着风电产业的快速发展和可开发利用陆地资源的减少,世界各国的风电开发开始向海上转移;随着水深的增加,新型的浮式基础由于造价成本更低逐渐取代固定式风机基础,海上风机的结构形式由固定式转向漂浮式。一方面,大装机容量的深水浮式风机尺寸更大、部件柔性增加,大尺寸柔性部件间的耦合作用明显。另一方面,浮式结构的顺应性使风机在海洋环境载荷下的运动幅度增大,从而引起系泊系统的非线性大位移运动;而且,随着水深的增加,系泊系统的动态特性对上部风机结构运动的影响也越来越大。因此,在进行风机系统的结构动响应分析时需要将上部风机结构和水下系泊系统作为一个整体系统进行耦合动力分析。  本文研究了考虑结构弹性的大型浮式风机在环境载荷作用下的整体动响应特性。首先,分析了考虑风机叶片和塔架的弹性变形及其动力耦合的风机固有动力特性、其在随机风载下的结构响应,研究了风机部件的离心力等体力效应、弹性耦合作用对叶片和塔架响应位移的增大作用。通过对基础支撑弹性效应的理论分析并结合频域和时域响应计算,研究了动响应过程中风机不同部件中的载荷传递和机械能变化规律,解释了整体风机系统运动过程中弹性部件的耦合机理。  其次,推导了具有任意下切角的悬链线结构方程、三维系泊系统运动方程。通过对有限元软件的二次开发,建立了针对非线性位移、超柔性结构的有限元数值模拟方法。考虑系泊线的惯性力和粘性水动阻力,研究分析了浮体的纵荡、垂荡引起的悬链线式系泊线振动响应,研究分析了浮体运动的频率、幅值,系泊线结构参数(等效密度、初始张力比等)对系泊线位移、速度和张力响应的影响规律。  最后,建立了包含动态系泊系统、浮体、柔性塔架和叶片等整体风机有限元结构和时域动响应分析模型。计算考虑系泊系统的动态特性、柔性部件弹性的风机整体系统在波浪载荷下的动响应,并与简化模型进行对比。分析了浮体结构、机舱的响应位移以及系泊线张力,浮体结构的纵摇-纵荡耦合作用,系泊系统的动态特性对风机结构运动和系泊线张力的影响。  理论分析和数值计算结果表明:塔架和叶片的耦合作用会增大塔架的响应,耦合对叶片振动特性的影响与其空间位置有关;系泊系统回复力与浮体运动幅值、频率有关,大幅度或高频的浮体运动会导致系泊线松弛,引发张力的迅速增大;极端海况下,风机的纵荡-纵摇耦合明显,耦合运动会降低纵摇幅度;激励频率与系统固有频率相近时,系泊系统的动态特性能明显降低风机的运动幅值。
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