流固耦合效应下风力发电机结构损伤破坏机制研究

The wind power was mounting up explosively as one of new energy in our country, but the corresponding design and the theoretical research was still not mature for this special structure. For the coupled response system formed by the tower-foundation-soil structure, it is very difficult to simulate the stress state accurately under the complicated wind load. The effect aerodynamics on this new steel-concrete composite structure is extremely complex. In this study, the load transfer mechanism and the damage constitutive response under pneumatic load are researched based on the horizontal axis wind turbine generator. Stand on the simulation process for the unit dynamic operation and the fluid-structure coupling, the numerical analysis method of the wind turbine coupled model is established. Through the program development and the materials experiment, the concrete gradient plastic damage constitutive model suitable for the coupled system is built. The method solving the infinite domain boundary conditions is obtained. The feasibility and key technical problems are discussed. The coupling mechanism between parts is illustrated. Results provide reference to the design and safety monitoring of the horizontal axis wind turbine structure.

风电作为新能源在我国呈爆发式增长态势，而相应的结构设计与理论研究尚不成熟。风机机组塔架-基础-地基所组成的耦联结构体系，在复杂多变的风载作用下整体结构的受力状态很难准确模拟，而空气动力学将使这种新型高耸钢-混凝土组合结构之间的相互耦合作用异常复杂。本项目基于兆瓦级风电机组耦联系统结构的特殊性问题，对结构传力机理和风动荷载下的损伤响应等问题进行深入研究。项目立足于对风电机组动态运行过程，风载与结构的流固耦合机理，结合程序开发与混凝土仿真材料试验，建立适合于风机机组耦联系统的混凝土梯度塑性损伤本构模型；完善和提出风机基础无限域求解方法及其边界条件；阐明风机耦联结构相互作用的耦合机制，揭示系统的结构损伤规律。对基于连续损伤力学理论的塑性损伤本构模型在耦联结构上的可行性、复杂性以及需解决的关键技术等问题进行探讨，以期为我国兆瓦级水平轴风力发电机结构设计和优化奠定理论基础。

风力发电作为一种新兴的能源产业，对其结构的设计与研究在国内仍然不太成熟。风力发电机整体结构作为高耸建筑物，在复杂多变的风载作用下其受力特性十分复杂，对其进行深入研究十分必要，本项目基于风电机组耦联体系对结构的受力机理及损伤模式进行研究。在理论分析与模型试验的基础上建立了混凝土损伤本构模型，通过数值仿真方法验证了本构的合理性，并将其运用于风机耦联体系模型，针对其静力状态下的损伤破坏机理进行研究；基于风机耦联体系的动力分析过程提出了适用于基础无限域求解的方法及其边界，并验证了IEM边界在动力分析过程中的适用性，探讨了风机耦联体系在动力作用下的受力特性以及损伤发展过程与破坏模式；同时为准确的实现风场对叶片结构的作用机理，基于流固耦合方法建立了风场与结构之间相互作用的“气固”耦合模型，分析了在流固耦合作用下的结构的动态响应规律以及基础损伤机理。本项目通过对风机结构在静、动力损伤分析，明确了在荷载作用下结构的动力响应规律以及损伤位置及损伤程度，以期为我国兆瓦级水平轴风力发电机结构设计和优化奠定理论基础，为准确实现风场与结构之间的相互作用提供合理的数值仿真方法。