风机结构在环境荷载激励下的损伤评估

1、风机结构在环境荷载激励下的损伤评估由于风机结构所处环境复杂, 且不考虑舒适度等因素, 在环境荷载激励下结构振动明显, 可靠性问题尤为突出。本文以不同环境荷载激励下风机结构的损伤评估为研究背景, 通过理论分析、数值模拟和试验研究 , 围绕风荷载的非高斯性对风机结构极值可靠性和疲劳损伤的影响以及近远场地震作用下结构抗震性能的评估开展研究。主要研究内容及成果结论如下:(1) 基于风电场测风气象塔实测风速资料, 分析来流风场的非高斯特性。根据非高斯穿越过程, 通过傅里叶谱方法生成风机硬化、软化和高斯风场, 讨论风荷载的非高斯性对风机结构控制截面动力响应和极值可靠性的影响。在考虑叶片与来流间的气弹效应以

2、及叶片与塔身相互作用的条件下, 根据多体动力有限元 , 计算风机控制截面的应力响应, 并对应力响应的时域和频域特性进行分析。着重比较三种不同概率特性风荷载作用下风机正常运行和停机状态下的短期极值 , 并对不同重现期的长期极值和失效概率进行估计。结果表明 , 不同概率特性风荷载作用下风机结构动力响应的时域前三阶特征值和频域带宽系数的均值均近似相等。 风荷载的非高斯性对重现期 10 年、20 年和 50 年的极值响应均有较大影响 , 风机结构不同使用年限的失效概率变化显著 , 在极值可靠性分析中需要考虑风荷载的软化特性。(2) 基于风机结构动力响应 , 分别采用线性损伤累积理论和线性裂纹扩展理论对

3、三种不同概率特性风场作用下控制截面处的疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命进行分析 , 同时考虑荷载和材料两方面不确定性对结构疲劳寿命的影响。结果表明 , 风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响随平均风速的增大变得显著。 在年平均风速较大区域 , 需要考虑风荷载的非高斯性对裂纹形成寿命的影响。 (3) 在考虑来流平均风速、风向联合概率密度函数条件下 , 讨论风荷载的非高斯对结构控制截面疲劳寿命的影响。根据实测风速数据 , 验证平均风速、风向概率分布的偏斜椭圆模型的准确性和适用性。 将来流风向划分为 16 个风向角 , 平均风速简化为 Weibull 分布 , 采用功率密度法对平均风速进行参数估

4、计 , 获得风速、风向联合概率密度函数。结合工程所处地区的气象资料 , 着重分析荷载的非高斯性对风机结构疲劳裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命的影响。结果表明 , 软化风荷载作用下控制截面的裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命最小 , 且控制点位于工程所处地区的主导风向上。 (4) 通过开展单桩式风机结构的振动台试验 , 研究常规地震动、近场和远场长周期地震动作用对风机结构动力响应的影响。结果表明 , 不同类型地震动作用下 , 风机塔顶位移响应极值随峰值加速度增大呈近似线性的递增分布。相较于常规地震动 , 近场和远场长周期地震动对风机结构的影响较大。在长周期地震动作用下 , 风机结构位移放大的幅度较大 , 特别

5、是远场长周期地震动 , 其对结构更为不利 , 对风机结构的弹塑性极限状态起控制作用 , 在结构整体动力响应分析及抗震性能评价中起主导作用。 (5) 以台湾集集地震近断层地震动为研究对象 , 分析近断层地震动空间分布特征对风机结构动力响应的影响规律。根据台站与断层的空间相对位置 , 将近场波分为破裂前方区域、断层破裂区域和破裂后方区域三类 , 分析三类地震动的频谱特性及其对单自由度体系位移响应的影响。在此基础上 , 研究三类地震动作用下风机结构的地震响应规律, 分析地震特征参数与结构动力响应的相关性。结果表明, 近断层地震动各特征参数与风机结构响应间均存在相关性。在考虑近断层地震动空间分布特征时, 破裂后方区域风机结构动力