冰载荷和风载荷耦合作用下海上风机动力响应分析方法技术

本发明专利技术公开了一种冰载荷和风载荷耦合作用下的海上风机动力响应分析方法。首先通过建立单桩基础海上风机及塔筒模型，计算风机在不同风速下风载荷及空气动力阻尼；其次进行单桩基础海上风机简化和冰排有限元建模；最后基于LS

【技术实现步骤摘要】
冰载荷和风载荷耦合作用下海上风机动力响应分析方法


[0001]本专利技术属于海上风机数值仿真计算
，具体涉及一种冰载荷和风载荷耦合作用下的单桩基础海上风机动力响应分析方法。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，人类对于可再生能源的需求日益增长。海上面积辽阔，海风大且无遮挡，有利于海上风力发电的发展。目前越来越多的海上风力发电场修建于冰区海域，如渤海湾、波罗的海、博思尼亚湾等，这些冰区海域的风机将在冬季遭受大面积冰排的持续碰撞。冰排的撞击会威胁海上风机的安全，严重情况下甚至会损坏或摧毁海上风机。目前国内外关于作用在海上风机结构上的冰载荷预报方法主要有简化解析、现场监测、模型试验以及数值模拟。由于数值模拟方法可以模拟详细的冰排与风机的相互作用过程，并且具有一定的可靠性而被广泛应用。
[0003]海上风机与冰排碰撞的过程中，风机塔顶节点可能会在最初的几秒钟内经历剧烈的摇晃，对于正在运行中的风力发电机来说，这会导致流入的风速产生急剧地变化，从而影响风机的气动载荷和动力响应。但是，现有研究中的数值模拟通常都忽略了海上风机与冰排碰撞发生所导致的风载荷变化对海上风机的动力响应的影响，无法获得更加精准的结构响应和运动响应。
[0004]对于一个正在运行中的海上风机，当它受到外界作用导致塔顶向前移动时，风机转子受到的相对风速和风载荷就会小幅增加，这将减弱风机向前运动的趋势；当风机塔顶向后运动时，推力减小，就会阻碍风机向这个方向的运动。上述是一种阻尼效应，它的大小与运动方程中的速度比例项有关。为了考虑冰排与风机碰撞过程中变化的风载荷对运行中海上风机的影响，采用基于叶片单元动量法的方法(如FAST和HAWC2)，将风激励视为独立于波浪激励的激励作用，并将风载荷作为“气动力阻尼”的阻尼源。气动力阻尼的概念简化了建模的方式，因此不需要对风机叶片进行有限元建模，也不需要在每个时域内确定风机转子的空气动力学，在冰排与风机相撞的分析中，主要研究风机基础结构的动态响应，其中涉及到大量的有限元分析。本专利技术采用上述建模方法，除了考虑平均风速外，通过气动力阻尼来表示风载荷效应。
[0005]综上，为了冰区海域的风机在遭受大面积冰排碰撞时提高风机动态响应和碰撞力的预报精度，需要开发一种准确地实现冰载荷和风载荷耦合作用下的海上风机动力响应分析方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提出一种冰载荷和风载荷耦合作用下的单桩海上风机动力响应分析方法，基于该专利技术提出的分析方法可以实现风和冰排撞击载荷联合作用下的单桩海上风机动力响应分析，能够获得更加准确的结构响应和运动响应；同时可基于该方法，研究风速、冰速、冰厚和冰强度等因素对风机的动力响应和碰撞力的影响。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种冰载荷和风载荷耦合作用下的海上风机动力响应分析方法，包含以下步骤：
[0009]a.采用HAWC2程序对单桩基础海上风机整体模型进行建模，计算不同风速下的风载荷和平均风速下的气动力阻尼系数c
aero
，气动力阻尼系数可根据风速变化所引起的推力变化量进行数值估算，而无需考虑控制系统的影响：
[0010][0011]其中，dV
mean
表示平均风速的微小变化，dF
Thrust
表示推力的相应变化。上述公式仅用于正在运行中风机；对于静止或空转的风机，平均风载荷和气动力阻尼可以忽略不计。
[0012]b.采用Patran软件建立单桩基础海上风机简化有限元模型和冰排有限元模型；
[0013]c.将所述单桩基础海上风机简化有限元模型和冰排有限元模型导入LS
‑
DYNA软件，设置边界条件、接触算法、初始条件以及材料本构模型，建立单桩基础海上风机与冰排碰撞数值仿真模型；
[0014]d.基于所述HAWC2计算的风载荷，在所述单桩基础海上风机与冰排碰撞数值仿真模型中的风机塔顶节点施加平均风载荷；
[0015]e.建立气动阻尼载荷模型，即c
aero
*V
vib
。
[0016]这里的c
aero
是预先计算的气阻尼系数，V
vib
是塔顶节点的振动速度。采用LS
‑
DYNA软件用户自定义的载荷子程序LOADSETUD进行二次开发，通过Fortran编程实现气动阻尼载荷模型子程序与碰撞主程序的耦合；
[0017]f.在每个时间步长内，LS
‑
DYNA对风机与冰排碰撞过程进行分析计算得出结果，并将塔顶节点的速度信息传递给所述自定义的载荷子程序LOADSETUD进行存储；
[0018]g.在定义的子程序LOADSETUD中计算气动阻尼载荷，将得到的气动阻尼载荷施加在塔顶节点上并代入下一个时间步，用LS
‑
DYNA主程序计算风机结构变形和塔顶运动，循环重复直至达到设定的计算时间，即实现风载荷与冰载荷的耦合效应，并可以得到碰撞过程中风机运动的时域结果以及结构的损伤变形。
[0019]采用上述技术方案，本专利技术至少包括如下有益效果：
[0020]1.本专利技术的海上风机动力响应分析方法充分考虑了风载荷和冰载荷的耦合效应，建立了单桩基础海上风机与冰排碰撞数值仿真方法，可以实现冰排碰撞与风载荷联合作用下的海上风机结构动力响应和安全性分析，能获得更加准确的风机动力响应。
[0021]2.本专利技术基于建立的海上风机动力响应分析方法，通过控制风机及冰排建模，能够充分研究不同风速、冰速、冰厚及冰强度作用下的海上风机动力响应特性。
附图说明
[0022]图1为本专利技术气动阻尼载荷模型子程序与碰撞主程序的耦合算法流程图。
[0023]图2为本专利技术单桩基础海上风机简化有限元模型。
[0024]图3为本专利技术实施例中冰速0.9m/s时不同风速下海上风机塔顶点位移曲线。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本专利技术做进一步描述。
[0026]本专利技术提出的一种冰载荷和风载荷耦合作用下的单桩海上风机动力响应分析方法是基于LS
‑
DYNA显式时间积分的非线性有限元法，建立单桩基础海上风机与冰排相互作用的数值模型，同时引入气动阻尼模型，实现冰排碰撞与风载荷的实时耦合，具有效率高、提高风机动态响应和碰撞力的预报精度等优点。冰区海域冰载荷和风载荷耦合作用下的单桩海上风机动力响应分析方法主要包含以下步骤和特征：
[0027]本专利技术以典型5MW单桩基础海上风机为例，该风机的高度143.6m，叶片及涡轮机部分的总质量350t。海上风机基础结构由单桩、过渡件和塔架组成；其中单桩和过渡件具有恒定的横截面形状，外径6m，壁厚60mm，单桩埋入土壤36m；塔架高77.6m，底部直径6m，顶部直径3.87m，壁厚由底端的27.0mm逐渐减小至顶端的19.4mm。变速变桨距海上风机的切入风速、额定风速和切出风速分别为3m/s、11.4m/s和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冰载荷和风载荷耦合作用下的海上风机动力响应分析方法，其特征在于，包含以下步骤：a.采用HAWC2程序对单桩基础海上风机整体模型进行建模，计算不同风速下的风载荷和平均风速下的气动力阻尼系数c
aero
，所述气动力阻尼系数可根据风速变化所引起的推力变化量进行数值估算，而无需考虑控制系统的影响：其中，dV
mean
表示平均风速的微小变化，dF
Thrust
表示推力的相应变化；上述公式仅用于正在运行中风机；对于静止或空转的风机，平均风载荷和气动力阻尼可以忽略不计；b.采用Patran软件建立单桩基础海上风机简化有限元模型和冰排有限元模型；c.将所述单桩基础海上风机简化有限元模型和冰排有限元模型导入LS
‑
DYNA软件，设置边界条件、接触算法、初始条件以及材料本构模型，建立单桩基础海上风机与冰排碰撞数值仿真模型；d.基于所述HAWC2计算的风载荷，在所述单桩基础海上风机与冰排碰撞数值仿真模型中的风机塔顶节点施加平均风载荷；e.建立气动阻尼载荷模型，即c
aero
*V
vib
；...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋明，袁巍，王嘉豪，王德鹏，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：