新型海上风机上部结构-基础-土动力相互作用模型试验平台制造技术

本实用新型专利技术提供了一种为海上风机上部结构-基础-土的动力相互作用的研究提供一整套模型试验平台。它包括基础部分及三套不同时装配的组成部分，基础部分包括矩形体试验槽、吸力式桶形基础，吸力式桶形基础内外壁粘贴若干微孔透水薄片。本实用新型专利技术包括的基础部分及三套不同时装配的组成部分，在实验槽内设置了模拟粉土海床地基后，通过第一套组成部分和第二套组成部分试验所得数据进行第三套组成部分安装后的试验，可以得到风机结构在一定特性的循环荷载作用下的基础刚度及上部结构动力特性发展演变过程。通过本实用新型专利技术试验平台所得到的结论，在一定程度上可以有效填补国内外在这方面的理论研究空白，并对今后海上风机结构设计提供一定的指导作用。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
新型海上风机上部结构-基础-土动力相互作用模型试验平台
本技术涉及海上试验平台，特别涉及海上风机上部结构、基础与土的动力相互作用的模型试验平台。
技术介绍
海上风能作为一种安全、清洁、稳定的可再生能源，在欧美等西方国家已经得到了大规模的开发和利用。随着能源短缺与环境污染问题的日益严重，我国在“十二五”期间也提出了要实现海上风电的总装机容量在2015年达到5000MW的目标。目前，一座:MW海上风机在正常运行工况下的叶片转动速率大约为8.6?18.4rpm，所产生的IP激振力频率为0.14?0.3IHz ;对于三个叶片的风机，由于叶片转动对风机塔架的“遮蔽效应”所产生的3P激振力频率为0.42?0.93Hz。另外，对于海上风机所受的风、浪、流等特殊的环境荷载形式，风和波浪及流荷载的主导频率为0.1?1.0Hz0当前风机结构设计参照较多的国外DNV规范又在IP及3P频率带的基础上，提出了风机结构设计时应预留出的±10%的安全度。因此，在风机结构设计中，为了避免结构的自振频率接近于这些激振力的频率带而发生共振的危险，对于风机结构设计师而言是一项巨大的挑战。目前，在综合考虑结构安全性与经济合理的基础上，一般选择“刚-柔(soft-stiff)”性(风机结构的设计自振频率介于IP与3P频率带之间)的结构设计目标。海上风机是一种高柔性的结构，其自身动力特性随基础刚度的变化非常敏感。因此，基础结构的安全和稳定是整个结构能否正常运行的根本。而目前海上风机基础结构的建造成本已占到了总成本的34%之多，故风机设计中选择一个合适的基础结构类型及尺寸是高效低成本开发海上风能的关键。若按照极限承载力状态的设计准则，风机基础结构的设计一般均能满足工程要求。但风机结构除了应满足极限承载力状态(ULS)外，更重要的还要满足服役极限状态(SLS)及疲劳极限状态(FLS)的要求。国际上以英国牛津大学Houlsby教授为代表的研究团队，就海上风机基础结构的服役极限状态(SLS)开展了一定不同比尺的模型试验研究，主要关注的焦点是基础在循环荷载作用下的累积变形及刚度衰退等关键科学问题。研究了基础类型(重力式基础、单桩和吸力式桶形基础等)及尺寸、循环荷载类型(单向、双向加载)、加载幅值、加载频率和循环次数等因素对上述问题的影响。并针对能保证上部机舱和叶轮部位正常运行下的对基础累积变形最大容许度(如桩头最大累积转角变形0.5度)，提出了以变形控制为目标的设计准则。海上风机的设计使用寿命为25?30年，在此期间要经历大约IO8次上部循环荷载的作用。目前，就风机结构在长期循环荷载作用下的疲劳极限状态(FLS)研究，还缺少相应的现场长期实测资料的支撑。根据已有的现场监测数据显示，荷兰Lely风电场的风机结构在运行半年后，结构的自振频率已由设计值的0.41Hz增大到了 0.63Hz。总所周知，结构自振频率的变化势必对其造成严重的安全隐患。但是，当前就基础结构在长期循环荷载作用下的刚度变化对上部结构动力特性(如结构自振频率)演变规律的影响，国内外还缺乏相应的研究。尤其是建立上部结构-基础-土为一体的耦合系统，研究循环荷载作用下的该系统内部各个子结构之间的动力相互作用是当前在大力发展海上风机的大背景下亟待解决的一项艰巨的工程难题。详见文献〈Bhattacharya S., AdhikariS.， 2011.Experimental validation of soil—structure interaction of offshorewind turbines.Soil Dynamics and Earthquake Engineering 31，805-816.> 和文献〈Lombardi D.，Bhattacharya S.，Wood D.M.，2013.Dynamic soil-structureinteraction of monopile supported wind turbines in cohesive soil.Soil Dynamicsand Earthquake Engineering 49， 165-180.>D如上述荷兰Lely风电场的短期监测数据所报道的，由基础在长期循环荷载作用下的刚度变化而导致上部结构自振频率的变化。这一变化可能就会使得原本安全的结构设计频率落到某一外界激振力的频率带范围内而变得不再安全。如何采取一定的工程措施最大限度降低结构因自振频率变化而带来的安全隐患或是在结构设计时采取怎样的设计方法降低这种负面效应的影响将是工程师所面临的一项巨大挑战。相比于现场原型试验及离心机试验而言，Ig小比尺模型试验具有低成本、节约时间、操作简单直观等诸多优点，在某种程度上能揭示一定的物理规律。根据Ig模型试验所揭示的基础结构类型及几何尺寸、循环荷载加载性状(幅值、频率和次数)等因素对风机结构动力特性的影响规律，可以为今后风机结构的设计提供一定的指导，这项工作具有十分重要的科学研究意义及工程应用价值。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种为海上风机上部结构-基础-土的动力相互作用的研究提供一整套模型试验平台。为此，本技术采用以下技术方案:它包括基础部分及三套不同时装配的组成部分，所述基础部分包括设置模拟粉土海床地基的矩形体试验槽，所述粉土海床地基顶端中部设置有吸力式桶形基础，实验槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基础内外壁粘贴若干微孔透水薄片。这里风机结构基础部分选择了今后国内外海上风电场中最具发展潜力的吸力式桶形基础模型，今后有研究需要时，可以在本技术装置基础上，将基础模型换成单桩、三桩等其他基础结构模型。第一套组成部分包括轴向油压安装系统、第一滑轮组、加载重物及安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆，所述轴向油压安装系统包括与试验槽顶端连接的框架部分、轴向油压安装系统面板、油压缸及油压缸下方的第一力传感器及第一力传感器下方连接的垂直于吸力式桶形基础顶面的万向接头，所述第一滑轮组的柔索一端连接在吸力式桶形基础顶面，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器；第二套组成部分包括与第一套组成部分相同的轴向油压安装系统、加载重物、安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆及与第一套组成部分不同的第二滑轮组和连接至水平加载杆上的位移传感器，所述第二滑轮组的柔索一端连接在水平加载杆上，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器；第三套组成部分包括连接在吸力式桶形基础顶部的海上风机模型，所述海上风机模型包括设置在吸力式桶形基础顶部中心的顶端带有集中质量块的钢管及在钢管和质量块上安装的若干个加速度传感器，此外，第三套组成部分还设有与试验槽相邻的支架、放置在支架上的700N高能激振器和混凝土块，700N高能激振器通过连接杆与钢管垂直刚性连接，并与循环加载操作箱连接；所述加速度传感器在质量块上沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一个，在连接杆与钢管的连接部位沿着激振力方向布置了一个，所述连接杆上设置有拉压力传感器。在采用以上技术方案的基础上，本技术还可以采用以下进一步方案:试验槽底部为由PVC排水管、砾石、钢丝网和无纺土工布所组成的本文档来自技高网...

【技术保护点】
新型海上风机上部结构?基础?土动力相互作用模型试验平台，其特征在于它包括基础部分及三套不同时装配的组成部分，所述基础部分包括设置模拟粉土海床地基的矩形体试验槽，所述粉土海床地基顶端中部设置有吸力式桶形基础，实验槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基础内外壁粘贴若干微孔透水薄片，第一套组成部分包括轴向油压安装系统、第一滑轮组、加载重物及安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆，所述轴向油压安装系统包括与试验槽顶端连接的框架部分、轴向油压安装系统面板、油压缸、油压缸下方的第一力传感器及第一力传感器下方连接的垂直于吸力式桶形基础顶面的万向接头，所述第一滑轮组的柔索一端连接在吸力式桶形基础顶面，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器；第二套组成部分包括与第一套组成部分相同的轴向油压安装系统、加载重物、安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆及与第一套组成部分不同的第二滑轮组和连接至水平加载杆上的位移传感器，所述第二滑轮组的柔索一端连接在水平加载杆上，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器；第三套组成部分包括连接在吸力式桶形基础顶部的海上风机模型，所述海上风机模型包括设置在吸力式桶形基础顶部中心的顶端带有集中质量块的钢管及在钢管和质量块上安装的若干个加速度传感器，此外，第三套组成部分还设有与试验槽相邻的支架、放置在支架上的700N高能激振器和混凝土块，700N高能激振器通过连接杆与钢管垂直刚性连接，并与循环加载操作箱连接；所述加速度传感器在质量块上沿激振力方向和垂直于激振力方向各布置一个，在连接杆与钢管的连接部位沿着激振力方向布置了一个，所述连接杆上设置有拉压力传感器。...

【技术特征摘要】
1.新型海上风机上部结构-基础-土动力相互作用模型试验平台，其特征在于它包括基础部分及三套不同时装配的组成部分，所述基础部分包括设置模拟粉土海床地基的矩形体试验槽，所述粉土海床地基顶端中部设置有吸力式桶形基础，实验槽四周高出粉土海床地基，所述吸力式桶形基础内外壁粘贴若干微孔透水薄片， 第一套组成部分包括轴向油压安装系统、第一滑轮组、加载重物及安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆，所述轴向油压安装系统包括与试验槽顶端连接的框架部分、轴向油压安装系统面板、油压缸、油压缸下方的第一力传感器及第一力传感器下方连接的垂直于吸力式桶形基础顶面的万向接头，所述第一滑轮组的柔索一端连接在吸力式桶形基础顶面，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器； 第二套组成部分包括与第一套组成部分相同的轴向油压安装系统、加载重物、安装在吸力式桶形基础顶面的倾角传感器和外表面带孔的水平加载杆及与第一套组成部分不同的第二滑轮组和连接至水平加载杆上的位移传感器，所述第二滑轮组的柔索一端连接在水平加载杆上，另一端连接有加载重物，柔索上设置有第二力传感器； 第三套组成部分包括连接在吸力式桶形基础顶部的海上风机模型，所述海上风机模型包括设置在吸力式桶形基础...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立忠，余璐庆，国振，李玲玲，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：