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台风环境下导管架式海上风机响应分析及易损性评估

赵聪杰  
【摘要】:当前我国海上风电行业方兴未艾,逐步由近海向资源更丰富的深远海发展,基础形式也由浅海的单桩基础向导管架基础过渡。然而我国东南沿海台风频发,严重威胁着海上风机的结构安全,海上风机的抗台风灾害能力已经成为制约我国海上风电事业发展的瓶颈。目前,海上风电的设计主要基于陆上风电以及海洋油气平台的开发经验。然而不同于传统的海洋油气平台,海上风机作为利用风能的捕风机构,其在台风等恶劣气象环境下面临着更为复杂的荷载工况,因此急需结合风机设计、海工结构力学以及防灾减灾学科联合攻关,开展台风环境下海上风机的响应分析及易损性研究,以期提高其生存能力。本文面向海上风机的抗台风工程,系统分析台风环境下导管架式大型海上风机的荷载及响应特点,模拟导致风机破坏的偏航系统失效工况并探讨应对策略,评估导管架平台的抗台风性能,提出了适用于导管架式海上风机的台风易损性分析框架。主要研究进展总结如下:(1)基于风和浪的基本理论,利用谐波叠加及快速傅里叶逆变换方法,结合台风环境下风、浪特性模拟生成能够真实反应台风特性的环境荷载。(2)针对台风环境下导致风机结构破坏的偏航系统失效故障,利用气-液-伺服-弹性软件FAST进行风浪联合作用下动力响应计算,考虑并对比了偏航角及停机位置对风机各部分结构动力响应的影响,提出应对偏航失效故障的最佳停机策略以期降低海上风机的破坏概率。结果表明:偏航系统失效时,偏航角和叶片停机位置对风机结构响应影响显著;部分偏航角下风机叶片甚至出现气弹失稳现象;综合整个偏航范围来看,采用空转策略或者叶片方位角处于90°停机位置的停摆策略时,风机结构各部分响应值相对较小,应对偏航失效故障最有利。(3)考虑材料、几何及荷载的非线性因素,针对台风环境下偏航失效故障工况及风、浪荷载的方向特性,开展不同荷载方向及偏航状态下风机结构的非线性静力推覆分析,评估导管架平台的抗台风性能。结果表明:导管架式海上风机平台结构的延性性能和极限承载能力在0°方向上最强,在45°对角线方向最弱;考虑风机偏航失效故障后,导管架平台的承载能力显著下降。此外,针对传统推覆分析方法的不足,采用风浪增量分析法并与传统方法结果进行比较,进一步验证方法的先进性。(4)基于地震工程全概率决策框架,结合前述结构动力及静力分析手段,提出适用于海上风机的台风易损性评估方法:采用蒙特卡洛模拟抽样生成台风样本;利用参数化的台风风、浪场模型结合动力响应分析得到结构响应的概率分布;考虑材料性能及结构尺寸的不确定性对风机进行静力推覆得到结构承载能力的概率分布特征;最后通过概率干涉理论,计算得出台风环境下海上风机结构的破坏概率。


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