為研究地震強(qiáng)度與小型風(fēng)力機(jī)塔架動力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系,以AOC 50 kW風(fēng)力機(jī)為研究對象,采用Wolf理論建立土-構(gòu)耦合模型,基于FAST（多體動力學(xué)仿真軟件）預(yù)留數(shù)據(jù)接口,開發(fā)地震載荷計算模塊,建立了湍流風(fēng)與地震實時耦合的動力學(xué)仿真模型。通過比例縮放ASCE（美國土木工程師協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)地震反應(yīng)譜,得到了20種不同強(qiáng)度的PSA（設(shè)計加速度）,從而計算不同地震與湍流風(fēng)聯(lián)合作用下的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明:PSA為0.6 g（g為9.806 65 m/s²）時,塔基彎矩增大133.3%,但地震強(qiáng)度對塔頂彎矩影響較小。隨著地震強(qiáng)度的增大,塔架不同高度處的最大彎矩與高度之間的關(guān)系逐漸由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷�性,塔架不同高度處的最大剪切力與高度之間的關(guān)系維持線性。此外,在地震載荷與風(fēng)載荷共同作用下,IEC（國際電工委員會）和AWEA/ASCE（美國風(fēng)能協(xié)會/美國土木工程師協(xié)會）載荷預(yù)估模型結(jié)果偏大。本文提出了一種新的高精度預(yù)估模型,可為小型風(fēng)力機(jī)地震載荷預(yù)估和預(yù)防地震風(fēng)險提供一定的參考。 

【文章來源】：熱能動力工程. 2018,33(01)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

風(fēng)力機(jī)輪轂高度處風(fēng)速時域變化

中:mij—廣義質(zhì)量，kg;kij—廣義剛度，N/m。塔架的廣義質(zhì)量和廣義剛度定義分別為:mij=mtop+∫H0ρ(h)φi(h)φj(h)dh(12)kij=∫H0EIT(h)d2φi(h)dh2d2φj(h)dh2dh－g∫H0［mtop+∫Hhρ(h')dh'］dφi(h)dhdφj(h)dhdh(13)式中:mtop—塔架頂部質(zhì)量，其值為機(jī)艙、風(fēng)輪及偏航裝置質(zhì)量之和，kg;EIT(h)—塔架高度h處的剛度，N/m;ρ(h)—塔架高度h處的密度，kg/m3;H—塔架高度，m。圖2動力學(xué)仿真流程圖Fig．2Flowchartofdynamicsimulation同樣，塔架每一階模態(tài)χi(h)均可用形函數(shù)疊加來表示，定義如式(14)。FAST中考慮了塔架前4階模態(tài)振型，因此，塔架位移可表示為:χi(h)=∑Ni=1Ci，jφi(h)(j=1，2，…，N)(14)u(h，t)=∑4i=1qi(t)χi(h)(15)假設(shè)塔架以n階模態(tài)χn(h)振動，相應(yīng)的廣義坐標(biāo)為qn(t)=Ansin(ωnt+ψn)。則形函數(shù)對應(yīng)的廣義坐標(biāo)可表示為:ci(t)=qn(t)Cn，i(i=1，2，．．．，N)(16)代入公式(11)并以矩陣形式表示:(－ω2［M］+［K］){C}={0}(17)式中:ω—塔架固有頻率，Hz;［M］—廣義質(zhì)量矩陣，kg;［K］—廣義剛度矩陣。公式(13)為矩陣［M］－1［K］的特征值問題，解之可得到塔架自振頻率和各階模態(tài)參與系數(shù)。取塔架前4階模態(tài)，采用模態(tài)法建立塔架動力學(xué)模型。從而得到塔架受迫振動方程:Mq¨(t)+Cq·(t)+Kq(t)=F(q·，q，t)(18)式中:C—阻尼，N·m/s;F(q·，q，t)—廣義力，包含氣動力、地震力及重力，N。廣義質(zhì)量M和廣義剛度K的表達(dá)式與式(8)、式(9)相似，只需要將形函數(shù)?

熱能動力工程2018年圖3風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)平臺與土體耦合模型Fig．3WindturbinefoundationplatformandlandcouplingmodelCx=Cy=4．6Ｒ2s2－μsGsρ槡s，Cz=3．4Ｒ2s1－μsGsρ槡s(20)式中:下標(biāo)x、y—水平方向，下標(biāo)z—垂直方向;Gs、ρs—土體的切變模量、密度，Gpa、kg/m3;μs—泊松比;Ｒs—基礎(chǔ)平臺的半徑，m。2．3地震加速度譜及地震載荷計算地震加速度采用匹配目標(biāo)響應(yīng)譜的方法計算［15］，目標(biāo)響應(yīng)譜如圖4所示。圖4目標(biāo)響應(yīng)譜示意圖Fig．4Schematicdiagramoftargetresponsespectrum圖中，Sa(t)為目標(biāo)響應(yīng)譜，ag為地面設(shè)計加速度峰值，TB、TC為加速度譜周期常數(shù)范圍限值參數(shù);TD為位移響應(yīng)周期常數(shù)值，其值由所在場地類別決定，A類場地中，其分別為0．15、0．4和2．0s;q為性能參數(shù)，表示結(jié)構(gòu)延性，取值為1。η=［10/(5+ξ)］0．5，為阻尼修正系數(shù)，其值應(yīng)大于0．55，一般取值為1，此時粘性阻尼百分比ξ為5%。選用ASCE－07標(biāo)準(zhǔn)地震反應(yīng)譜為目標(biāo)匹配譜，通過比例縮放，計算了20種不同強(qiáng)度的地震加速度譜，地震時長均為50s。圖5為ag分別為0．4g(工況一)、0．9g(工況二)和2．2g(工況三)時x方向的加速度目標(biāo)譜匹配情況及加速度時域變化。從圖中可以看出，本文所選研究對象AOC50kW風(fēng)力機(jī)的系統(tǒng)自振周期為0．64s，對應(yīng)的PSA分別為0．57、1．14和1．79g，匹配后的PSA分別為0．57、1．15和1．78g。偏差分別為0%、0．1%和0．1%，均小于0．1%，說明匹配后的加速度具有目標(biāo)反應(yīng)譜的特征［16］。圖5不同強(qiáng)度地震x方向加速度目標(biāo)反應(yīng)譜匹配情況及時域變化Fig．5Theresponsespectrummatchingandtimedomainchangesofthexd

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3292070