考慮土-結(jié)相互作用的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬

考慮土-結(jié)相互作用的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬

大型風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法大型風(fēng)力發(fā)電屬于典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是，葉片、傳動(dòng)鏈和蒸汽機(jī)位于塔架頂部，形成了一個(gè)風(fēng)能機(jī)塔架-葉片耦合系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)、小的干擾、低自擾頻率和密集分布等特點(diǎn)，因此風(fēng)負(fù)荷往往是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制負(fù)荷之一。針對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)(塔架和葉片)的抗風(fēng)研究鑒于此,以南京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的某5MW大型風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)為例,建立考慮離心力的“葉片-機(jī)艙-塔架-基礎(chǔ)”一體化有限元模型,并通過(guò)在基礎(chǔ)和土體交界面上設(shè)置質(zhì)量彈簧和阻尼器來(lái)考慮SSI效應(yīng),分析風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)固支和考慮SSI效應(yīng)時(shí)的動(dòng)力特性;再基于諧波疊加法和改進(jìn)的葉素-動(dòng)量理論,進(jìn)行考慮旋轉(zhuǎn)和相干效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬;最后結(jié)合作者已提出的風(fēng)振精細(xì)化分析方法“一致耦合法”來(lái)進(jìn)行考慮SSI效應(yīng)的大型風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析。1基于sdi的風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型本文基于某5MW三槳葉大型風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)。塔高124m,底徑4.8m,頂徑2.6m,塔體通長(zhǎng)為變厚度結(jié)構(gòu),底壁厚40mm,頂壁厚15mm,通長(zhǎng)厚度由底部至頂部呈線性減小趨勢(shì)。機(jī)艙長(zhǎng)12m,寬4.6m,高4.2m,總質(zhì)量140.2×10基于ANSYS軟件平臺(tái),建立了風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的“葉片-機(jī)艙-塔體-基礎(chǔ)”一體化有限元模型。其中葉片和塔體采用SHELL91單元,機(jī)艙及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可作為整體采用梁?jiǎn)卧狟EAM189模擬。通過(guò)多點(diǎn)約束單元耦合命令將各部分連接在一起,形成整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)。模態(tài)分析時(shí)把葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作為預(yù)應(yīng)力預(yù)先施加在葉片上,計(jì)算的頻率和模態(tài)信息均考慮葉片轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的離心力效應(yīng)?；A(chǔ)采用圓形筏基基礎(chǔ)。單元類型為SOLID65,尺寸為直徑10m,高度1.8m。COMBIN14彈簧單元可以描述一維、二維及三維軸向和扭轉(zhuǎn)變形,定義彈簧剛度系數(shù)K,阻尼系數(shù)C。能較為理想地模擬土體與基礎(chǔ)之間彈性模型。故對(duì)于土體與基礎(chǔ)相互作用方面,采用COMBIN14彈簧單元模擬土彈簧?；A(chǔ)土彈簧力學(xué)模型及有限元模擬細(xì)節(jié)見圖1。其中地基土體材料參數(shù)定義為:密度為1900kg/m表2給出了基礎(chǔ)固支和考慮SSI效應(yīng)下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自振頻率對(duì)比,結(jié)合圖2給出了考慮SSI效應(yīng)的塔輪系統(tǒng)典型的模態(tài)振型?？梢园l(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基頻較低,并且當(dāng)考慮SSI效應(yīng)時(shí)相應(yīng)的自振頻率均比基礎(chǔ)固支時(shí)要小,前者的基頻僅為后者的70%。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)振型以塔架的前后移動(dòng)為主,伴隨著葉片的前后舞動(dòng),第5階是葉片的前后舞動(dòng)和塔架的彎曲變形耦合,第10階是塔架的軸向和彎曲變形耦合,第30階是葉片舞動(dòng)/擺振和塔架的彎曲變形耦合。再考慮到葉片的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的變化,這就要求系統(tǒng)風(fēng)振動(dòng)力計(jì)算時(shí)要考慮葉片和塔架的耦合作用。而國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中塔架抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)均不考慮葉片舞動(dòng)/擺振影響的做法值得商榷。2大型塔輪風(fēng)場(chǎng)對(duì)塔輪系統(tǒng)的脈動(dòng)影響風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)由兩部分構(gòu)成:塔架脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和葉片脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。圖3簡(jiǎn)要地給出風(fēng)場(chǎng)特性圖,可以看出在風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)時(shí)葉片和塔架的風(fēng)場(chǎng)相互影響,尤其是處于上風(fēng)向的葉片對(duì)塔架的影響更為顯著;而葉片本身的風(fēng)場(chǎng)受到自身旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和氣彈效應(yīng)影響相比塔架來(lái)說(shuō)要更加明顯。由于塔架為倒錐形結(jié)構(gòu),各方向的剛度相同,而葉片又始終處于迎風(fēng)面,導(dǎo)致側(cè)向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和垂直向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)于塔輪系統(tǒng)影響較小,可忽略其脈動(dòng)影響。順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)能量是葉片和塔架主要承受的載荷,因此本節(jié)只進(jìn)行葉片和塔架的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程的數(shù)值模擬。2.1風(fēng)譜密度函數(shù)塔架和葉片的來(lái)流風(fēng)速時(shí)程均采用諧波疊加法模擬式中:C風(fēng)譜模型采用改進(jìn)的Vonkarman模型,因?yàn)橄啾菵avenport模型和Kaimal模型,改進(jìn)的Vonkarman風(fēng)譜模型能夠產(chǎn)生隨機(jī)風(fēng)的縱向、橫向和垂直向三維分量,校正了基本模型在高度150m以下的缺陷,更加符合風(fēng)力機(jī)自身風(fēng)場(chǎng)特性。圖4給出了三種風(fēng)譜模型曲線,對(duì)比發(fā)現(xiàn)在低頻區(qū),三種風(fēng)頻譜差異較大,在峰值附近區(qū)域,Kaimal和Vonkarman頻譜分別要低于和高于改進(jìn)Vonkarman頻譜;而在高頻區(qū)域,Kaimal和Vonkarman頻譜幾乎重合,但是改進(jìn)Vonkarman頻譜會(huì)略高于另外兩個(gè)頻譜幅值,因此,風(fēng)譜函數(shù)的選用直接影響到風(fēng)力機(jī)風(fēng)場(chǎng)模擬的精度。根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)場(chǎng)的自身特性,本文采用改進(jìn)的Vonkarman風(fēng)譜模型:式中:S定義風(fēng)機(jī)上n個(gè)風(fēng)速模擬節(jié)點(diǎn),假定均為零均值的平穩(wěn)高斯過(guò)程,其風(fēng)譜密度函數(shù)矩陣為:式中:S其中葉片只需考慮旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的各點(diǎn)間的相干性,葉片和塔架之間需要還需要考慮順風(fēng)向的相干性影響。再將S(ω)進(jìn)行Cholesky分解,此時(shí)風(fēng)力發(fā)電塔架上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程可以由其功率譜決定,根據(jù)Shinozuka理論模擬的風(fēng)速時(shí)程可以表達(dá)為:其中,風(fēng)譜在頻率范圍內(nèi)劃分成N個(gè)相同部分;Δω=ω/N為頻率增量;|H2.2脈動(dòng)風(fēng)速計(jì)算方法與塔架風(fēng)場(chǎng)不同的是,葉片的風(fēng)場(chǎng)模擬需要考慮葉片自身的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)以及塔架-葉片的相干效應(yīng)。目前解決葉片氣動(dòng)性能有三種方法根據(jù)BEM理論,葉片上的相對(duì)風(fēng)速VV式中:B為葉片數(shù);L為指升力;ф為入流角;ρ為空氣密度;r為葉片截面的展向位置;n為推力方向的單位向量;F為普朗特葉尖損失因子;f根據(jù)下式計(jì)算葉片攻角α式中:β為槳矩角;θ通過(guò)葉片翼型插值方法,可以得到升力系數(shù)C這樣得到葉片的法向載荷F綜上所述,基于式(5)采用Matlab程序模擬葉片的來(lái)流風(fēng)速時(shí)程,再采用式(7)計(jì)算每個(gè)風(fēng)速時(shí)程樣本對(duì)應(yīng)的誘導(dǎo)速度,如此循環(huán)計(jì)算最終獲得葉片上的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。同時(shí)也可以計(jì)算得到葉片的升力系數(shù)和阻力系數(shù),以及受到的法向載荷和切向載荷分布。2.3脈動(dòng)風(fēng)速模型基于上述的風(fēng)場(chǎng)模擬方法,采用Matlab語(yǔ)言編制相應(yīng)的數(shù)值模擬程序。在計(jì)算過(guò)程中脈動(dòng)風(fēng)上限頻率取為2π,脈動(dòng)風(fēng)頻率分割點(diǎn)數(shù)取為2048,頻率增量Δω=0.00307Hz,取當(dāng)?shù)?0m高平均風(fēng)速為24m/s。來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)速譜和相干函數(shù)均取Davenport模型。限于篇幅,圖5和圖6分別給出葉片和塔架中部?jī)牲c(diǎn)的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程和功率譜曲線圖。其中坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo),目標(biāo)譜為Davenport風(fēng)譜。從圖中可以看出,葉片的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜曲線在高頻處存在較大的能量和脈動(dòng)特性,主要是由葉片的旋轉(zhuǎn)和相干效應(yīng)引起的高頻能量浮動(dòng),在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)振動(dòng)力分析中應(yīng)引起重視;塔架中部的脈動(dòng)風(fēng)速模擬曲線和目標(biāo)譜吻合較好,但在高頻處由于受到葉片相干性的影響數(shù)值有微小波動(dòng)。因此根據(jù)本文模擬過(guò)程和對(duì)比分析可以認(rèn)為,采用本文方法可以很好地模擬考慮葉片和塔架相干效應(yīng)、以及葉片自身旋轉(zhuǎn)和相干效應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。為后續(xù)的風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)提供輸入?yún)?shù)。3風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)影響采用作者于2011年提出的完全考慮結(jié)構(gòu)背景、共振及背景和共振模態(tài)之間交叉項(xiàng)的一致耦合方法來(lái)計(jì)算大型風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng),可以很好地考慮葉片和塔架之間的耦合模態(tài)、以及系統(tǒng)各共振模態(tài)之間的耦合效應(yīng)。限于篇幅,該方法不再詳細(xì)介紹,具體推理及驗(yàn)證過(guò)程可詳見文獻(xiàn)[14]。圖7給出考慮SSI效應(yīng)的葉片尖部和塔頂風(fēng)致位移響應(yīng)功率譜密度函數(shù)曲線?？梢钥闯?風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)由背景和共振分量?jī)刹糠纸M成,且共振響應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位;與一般高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振激勵(lì)特性不同的是,風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)存在多振型共振響應(yīng)現(xiàn)象,例如葉片位移響應(yīng)的功率譜曲線顯示第1階和第8階模態(tài)激發(fā)共振效應(yīng);而塔頂風(fēng)致共振效應(yīng)主要由第3、8和14階模態(tài)激發(fā),其中第8階模態(tài)貢獻(xiàn)能量最大,其對(duì)應(yīng)振型是由葉片的左右擺振和塔體的彎曲變形耦合構(gòu)成,且共振效應(yīng)的截止模態(tài)約在4Hz左右。分析表明風(fēng)力發(fā)電塔的風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)分析需要考慮葉片和塔架的耦合振型,而傳統(tǒng)的把葉片和機(jī)艙作為質(zhì)量塊施加在塔頂進(jìn)行風(fēng)振動(dòng)力分析的做法值得商榷。為深入分析考慮SSI效應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)背景、共振分量及其耦合項(xiàng)的作用機(jī)理,圖8給出典型目標(biāo)脈動(dòng)響應(yīng)各分量的數(shù)值對(duì)比圖。橫坐標(biāo)分別為四個(gè)目標(biāo)響應(yīng),縱坐標(biāo)表示各分量響應(yīng)數(shù)值,背景和共振分量均為正值,而耦合分量數(shù)值則正負(fù)都有,負(fù)值表示當(dāng)忽略該耦合項(xiàng)時(shí)高估其數(shù)值大小,正值則相反。可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的背景和共振分量在不同目標(biāo)響應(yīng)中所占比例不同,其中葉片和塔架頂部風(fēng)振響應(yīng)中共振分量均占據(jù)明顯主導(dǎo)地位,背景和耦合分量在同一數(shù)量級(jí);而塔體中部軸力和基底彎矩響應(yīng)中的背景和共振分量數(shù)值相當(dāng),并且耦合項(xiàng)的影響明顯要小很多。圖9~圖11給出了風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)典型節(jié)點(diǎn)在基礎(chǔ)固支和考慮SSI效應(yīng)兩種工況下的風(fēng)致平均、脈動(dòng)和總位移響應(yīng)。其中橫坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)1-6分別對(duì)應(yīng)3個(gè)葉片的尖部、輪轂中心、塔架頂部和中部6個(gè)目標(biāo)響應(yīng)?？梢园l(fā)現(xiàn),考慮SSI效應(yīng)減小了葉片尖部的風(fēng)致平均響應(yīng),但增加了輪轂、塔頂和塔架中部節(jié)點(diǎn)的平均響應(yīng),說(shuō)明考慮SSI效應(yīng)對(duì)于平均響應(yīng)來(lái)說(shuō)可能會(huì)存在有利的結(jié)果;考慮SSI效應(yīng)均增大了系統(tǒng)葉片和塔架的脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng),其中葉片部位的增大幅度相對(duì)塔架來(lái)說(shuō)要明顯。綜合總的風(fēng)致響應(yīng)來(lái)看,考慮SSI效應(yīng)后其數(shù)值均比基礎(chǔ)固支時(shí)要增大,其中塔頂增幅達(dá)到1.36倍。風(fēng)振系數(shù)是風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),是工程設(shè)計(jì)人員最容易理解和應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路。現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)力機(jī)塔架風(fēng)振系數(shù)的研究成果均是不考慮葉片/塔架的耦合作用和SSI效應(yīng),圖12給出了上述6個(gè)目標(biāo)響應(yīng)在基礎(chǔ)固支和考慮SSI效應(yīng)下的風(fēng)振系數(shù)對(duì)比曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn):(1)不論是否考慮SSI效應(yīng),風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)振系數(shù)在不同部位的取值浮動(dòng)較大,葉片系統(tǒng)的風(fēng)振系數(shù)明顯要大于塔架結(jié)構(gòu),而且三個(gè)葉片的風(fēng)振系數(shù)數(shù)值也有差別,建議風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該分區(qū)取值;(2)考慮SSI效應(yīng)后,葉片系統(tǒng)的風(fēng)振系數(shù)明顯增大,而對(duì)塔架結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)影響不大,其中塔頂部位的風(fēng)振系數(shù)略微減小,相比基礎(chǔ)固支情況下塔架中部的風(fēng)振系數(shù)變大。這是由于考慮SSI效應(yīng)同時(shí)增大了塔架的平均響應(yīng)和脈動(dòng)響應(yīng),且兩者增幅相當(dāng),這樣盡管總風(fēng)振響應(yīng)明顯增大,但對(duì)塔架風(fēng)振系數(shù)的影響較小。表3給出了考慮和不考慮SSI效應(yīng)下風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)典型部位風(fēng)致平均、脈動(dòng)和極值響應(yīng)的對(duì)比數(shù)值。對(duì)比發(fā)現(xiàn)考慮SSI效應(yīng)會(huì)不同程度的降低風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)主要部位風(fēng)致平均響應(yīng),同時(shí)會(huì)增大脈動(dòng)響應(yīng)根方差,考慮到極值響應(yīng)計(jì)算時(shí)會(huì)采用峰值因子來(lái)放大脈動(dòng)響應(yīng)根方差的數(shù)值,因此考慮SSI效應(yīng)后均使得風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)典型部位的極值響應(yīng)增大,特別是對(duì)于葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)極值的增大效果最為明顯。4考慮ssi效應(yīng)的風(fēng)振模擬本文主要工作是建立考慮SSI效應(yīng)和葉片離心力的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)整體有限元模型,提出基于諧波疊加法和改進(jìn)的葉素動(dòng)量理論方法來(lái)模擬考慮葉片自身旋轉(zhuǎn)和相干效應(yīng)、葉片-塔架相干效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析。主要研究結(jié)論如下:(1)考慮SSI效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)自振頻率要小于基礎(chǔ)固支下的自振頻率,且系統(tǒng)的振型大多是葉片的舞動(dòng)/擺振和塔架的變形相耦合,表明風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)風(fēng)振分析時(shí)要采用塔架-葉片的耦合模型。(2)基于諧波疊加法和改進(jìn)的葉素-動(dòng)量理論可以有效地模擬考慮旋轉(zhuǎn)和相干效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng),模擬結(jié)果表明葉