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

摘要

本文分别对海陆风力机进行气动载荷和结构分析。对于陆上风力机，应用有限元数值分析方法分析了1.5MW变速变桨距风电机组圆筒型塔架在非定常气动力作用下的动力学响应。数值计算了塔架的动力特性，考察了风轮及机舱重量对塔架固有频率的影响；研究了作用在圆筒型塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系；根据作用在塔架上的气动力，计算了塔顶处横向和顺风向在过临界和超临界条件下的动态位移。计算结果表明：非定常气动力是引起塔架振动的重要原因，研究塔架的动态问题比静态问题更重要。 在此基础上，分析了海上风力机塔架复杂的外界载荷工况，研究了海上风力机圆筒型塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法；探讨了塔架的疲劳性能，破坏准则及疲劳寿命估计方法；提出了一种基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的混泥土塔架安全寿命估计方法。应用线性波理论来仿真非规则的海浪，分析作用在圆筒型塔架上的波浪载荷，通过坐标变换，将二维线性波理论扩展为三维线性波理论，相应地，将平面的莫里森(Morison)波浪力系发展成空间力系，建立了波浪力的分析计算模型，以适应三维空间的分析和计算；编制了非规则线性波浪力分析程序及疲劳寿命计算程序。用有限元数值分析方法，将圆筒型塔架用空间弹性梁单元(每节点5自由度)建模，求解了塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等：用雨流计数法统计循环参量，将工作循环应力水平等寿命转换成对称循环下疲劳载荷谱，分析了变幅载荷谱下的疲劳损伤及疲劳寿命。算例表明：本文的工作为整个海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1选题意义及背景

1.1.1风力发电高速发展

1.1.2近海风力发电技术成为近年来研究和应用热点

1.1.3近海风力机在风和波浪作用下的载荷分析研究现状

1.1.4课题的意义

1.2论文的主要目的和研究内容

第二章计算结构动力学

2.1动力分析中的离散方法

2.2瞬时最小势能及离散体动力方程

2.3结构动力特性的基本算法

2.4离散化结构动力方程的解法

2.4.1线性加速度法

2.4.2纽马克(Newmark)法

第三章模型建立及模态分析

3.1塔架的固有频率和固有振型计算

3.2模型建立

3.3模态分析

3.4本章小结

第四章气动载荷分析

4.1筒型塔架的气动载荷分析

4.1.1亚临界和过临界情况

4.1.2超临界情况

4.1.3参数的确定

4.2 1.5MW风力机塔架变形分析

4.2.1过临界状态

4.2.2超临界情况

4.3结论

第五章波浪载荷计算

5.1复杂的外界载荷条件

5.2波浪载荷计算

5.2.1线性波理论

5.2.2随机波谱

5.2.3扩展的Morison公式

5.2.4结构动力学分析

5.3本章小结

第六章风波联合作用下的响应谱

6.1程序框图

6.2结构模型

6.3气动载荷的有关参数

6.4波浪载荷的有关参数

6.5结果

6.6本章小结

第七章疲劳分析及疲劳寿命

7.1疲劳分析

7.2混泥土的疲劳寿命曲线

7.3塔架的安全寿命计算

7.4计算结果

7.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢