单桩式海上风机地震响应规律与结构破坏机理研究

The sea area with the most abundant wind energy resources in China is adjacent to Pacific Rim, which has high seismic hazard. Offshore wind turbines (OWTs) are located in soft soil foundation and are operated in complex environment long-term suffering the effect of wind and wave. Therefore, earthquake response analysis of the OWTs is more complicated than that of onshore wind turbines. According to aerodynamic, hydrodynamic, structural dynamics and mechanical control principles, an analytic model will be developed for seismic response of monopile-supported OWTs with consideration of soil-structure interaction and rotor-tower coupling. On the basis of aero-servo-hydro-elastic coupling method, dynamic response analysis model of OWTs under combined wind-wave-earthquake loadings will be set up, taking nonlinear behavior of rotor, support structure and foundation into consideration. Then, the dynamic behavior of OWTs will be analyzed under combined excitation of wind, wave and seismic. The influence rules of certain qualities on dynamic response of OWTs will be revealed such as aerodynamic forces, hydrodynamic loads, operation conditions and input earthquake direction. And the dynamic stability of support structure will be analyzed while it subjects to the joint effect of wind, wave and seismic. The earthquake damage mechanism of blade and support structure will be investigated.

我国风能资源最为丰富的海域临近环太平洋地震带，具有较高地震危险性。由于海上风机结构处于风、波浪等复杂的常态工作环境和近海域软基场地中，因此，海上风机结构的地震响应分析较陆地风机结构的地震响应分析更为复杂。本项目拟针对单桩式海上风机结构，基于空气/水/结构动力学及机械控制原理，考虑土-结相互作用和叶轮-塔架耦合效应影响，建立海上风机结构地震响应解析模型；基于气动-伺服-水动-弹性耦合方法，考虑叶片、支撑结构和地基非线性行为，建立风-波浪-地震共同作用下结构动力响应数值分析模型；探讨风-波浪-地震联合作用下海上风机结构的动态行为，揭示气动力、动水力、工作状态、场地条件和地震动输入方向等因素对海上风机结构地震响应的影响规律，分析风-波浪-地震共同作用下海上风机支撑结构的动力稳定性，探讨叶片和支撑结构地震破坏机理。

我国渤海、台湾海峡等海上风电重点开发区域面临强震作用威胁。本项目结合理论分析与数值模拟，对风-波流-地震作用下单桩式海上风力发电机动力响应和支撑结构破坏规律开展研究，主要工作及结论如下：.1. 将支撑结构简化线弹性欧拉梁、叶轮-机舱组合简化为集中质量，通过伯努利定理计算气动力，根据Morison公式确定动水力，利用泥面处平动、转动和平-转耦联弹簧模拟土-结构相互作用，采用传递矩阵法，获得风-波浪-地震作用下单桩式海上风机结构线性化动力响应解析解。.2. 考虑场地滤波和风力机气动-伺服-水动-弹性耦合效应，采用非线性温克尔地基梁模型模拟桩-土相互作用，建立了单桩式海上风力机动力反应分析模型，基于海上风电动力学开源软件FAST开发了数值模拟程序，并与DNVGL-Bladed软件分析结果进行比较，验证该方法和计算程序的可靠性。.3. 以NREL 5 MW单桩式海上风力发电机为研究对象，探讨了工作状态和风-波浪对其地震响应的影响，结果表明：工作状态显著影响单桩式海上风力发电机地震反应，强震作用下，停机状态为海上风力机最不利工况，弱震作用下，运行状态为最不利工况；.4. 基于叶素动量理论，考虑塔顶节点的平移和转动自由度，建立了一种新的水平轴风力发电机气动阻尼理论模型，分析表明，塔架二阶模态的气动阻尼比显著小于一阶模态，为准确预测模态气动阻尼比，风轮转速和叶片桨距角的误差不应超过5％。.5. 以DTU 10 MW风力发电机为原型，开发了一种稳定性良好的变速、变桨距控制器，针对典型海洋场地和实测气象数据，基于刚-柔性设计理念，将系统一阶固有频率目标值设定为0.22 Hz，考虑现行风电行业规范承载力极限状态、正常使用极限状态和疲劳极限状态的要求，设计了10 MW海上风力机支撑结构和单桩基础，使用改进的FAST程序，开展10 MW单桩式海上风力机动力反应分析。