基于時(shí)域法的不同塔架風(fēng)力機(jī)抗臺(tái)風(fēng)分析

劉新喜，鄧宗偉，高乾豐

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000;3. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

基于時(shí)域法的不同塔架風(fēng)力機(jī)抗臺(tái)風(fēng)分析

劉新喜1，鄧宗偉2?，高乾豐3

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000;3. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

為探討不同塔架形式風(fēng)力機(jī)的抗臺(tái)風(fēng)性能，基于Abaqus有限元軟件建立4種不同塔架形式的風(fēng)力機(jī)一體化模型，用自回歸(AR)法對(duì)脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程進(jìn)行模擬，分別進(jìn)行了模態(tài)分析和臺(tái)風(fēng)時(shí)程分析. 結(jié)果表明，風(fēng)輪和機(jī)艙對(duì)風(fēng)力機(jī)自振頻率的影響較大；鋼筋混凝土錐筒塔架的最大順風(fēng)向位移隨臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的增加呈平緩線性增加趨勢(shì)，而其他3種塔架的位移隨風(fēng)速的增加表現(xiàn)為非線性增加. 鋼管格構(gòu)式塔架為輕型柔性結(jié)構(gòu)，其風(fēng)載響應(yīng)最為顯著，鋼錐筒塔架次之，而鋼筋混凝土塔架因具有較大的自重和剛度，其位移響應(yīng)最小，抗風(fēng)性能較好.

風(fēng)力機(jī)塔架；時(shí)域分析；脈動(dòng)風(fēng)模擬；臺(tái)風(fēng)荷載；動(dòng)力響應(yīng)

臺(tái)風(fēng)易造成沿海和近海風(fēng)力機(jī)整機(jī)倒塔、葉片斷裂、機(jī)艙摧毀等事故[1]. 葉片、機(jī)艙的局部破損可在保險(xiǎn)賠償款的支持下降低虧損，但如塔架發(fā)生失穩(wěn)或折斷則將引起整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的傾覆，造成毀滅性的損失，故確保塔架結(jié)構(gòu)的安全對(duì)風(fēng)電機(jī)組的抗臺(tái)風(fēng)意義重大. 目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)強(qiáng)風(fēng)荷載作用下風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力性能做了許多研究，如：賀廣零等[2]建立鋼筒和鋼筋混凝土筒2種形式風(fēng)力機(jī)模型，進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電塔的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析，認(rèn)為設(shè)計(jì)中必須考慮結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力放大效應(yīng)，鋼塔存在突出的拍振現(xiàn)象，動(dòng)力響應(yīng)明顯偏大，鋼筋混凝土塔則不存在該現(xiàn)象. 章子華等[3]采用Davenport譜模擬脈動(dòng)風(fēng)，用三維實(shí)體單元模擬發(fā)電機(jī)組，建立風(fēng)機(jī)塔底固接和考慮樁基剛度的2種模型進(jìn)行自振特性分析和風(fēng)載響應(yīng)分析，表明2種模型的前4階自振頻率差別不大，自重和平均風(fēng)作用下響應(yīng)差異不明顯，而考慮脈動(dòng)分量后，作用于風(fēng)機(jī)上的風(fēng)荷載顯著增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)也相應(yīng)增大. Quilligan等[4]通過(guò)不同塔架高度和風(fēng)速的擺振數(shù)值模型研究了鋼塔架和混凝土塔架的結(jié)構(gòu)性能，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土塔架在未來(lái)大型風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)中具有較好的應(yīng)用前景. 然而，因風(fēng)力機(jī)外形的復(fù)雜性和風(fēng)的隨機(jī)性，許多文獻(xiàn)在進(jìn)行風(fēng)速模擬和風(fēng)力機(jī)建模時(shí)做了大量簡(jiǎn)化，且大多只對(duì)鋼錐筒塔架風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了研究，對(duì)格構(gòu)式塔架、混凝土塔架及鋼-混凝土混合塔架等形式風(fēng)力機(jī)的系統(tǒng)分析較少.

本文基于Abaqus軟件盡可能真實(shí)地建立4種不同塔架形式(鋼錐筒塔架、鋼筋混凝土錐筒塔架、鋼-混凝土混合錐筒塔架和鋼管格構(gòu)式塔架)的風(fēng)力機(jī)“風(fēng)輪-機(jī)艙-塔架-基礎(chǔ)”一體化模型，分別進(jìn)行模態(tài)分析和臺(tái)風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，得到風(fēng)力機(jī)的自振特性及風(fēng)載動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，并對(duì)各風(fēng)力機(jī)的抗風(fēng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為臺(tái)風(fēng)影響環(huán)境中風(fēng)力機(jī)塔架形式的選擇和設(shè)計(jì)提供參考.

1 抗臺(tái)風(fēng)分析原理和方法

1.1 AR法脈動(dòng)風(fēng)模擬

脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程的模擬方法有諧波疊加法和線性濾波法[5-6]兩類，其中線性濾波法中的自回歸(AR)模型因速度快、計(jì)算量小已得到廣泛應(yīng)用. 本文采用AR模型對(duì)風(fēng)電場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)進(jìn)行模擬，空間M個(gè)點(diǎn)相關(guān)脈動(dòng)風(fēng)速vi(t)的AR模型可表示為：

(1)

式中:vi(t)為空間第i點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速，i=1,2,…,M；Ψk為AR模型自回歸系數(shù)矩陣，為M×M階方陣；p為AR模型的階數(shù)；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；N(t)為M維獨(dú)立正態(tài)分布的隨機(jī)過(guò)程向量，N(t)=L·n(t)(其中n(t)=[n1(t),…,nM(t)]T，ni(t)是均值為0、方差為1且彼此獨(dú)立的正態(tài)隨機(jī)過(guò)程，i=1,2,…,M；L為M階下三角矩陣，可通過(guò)對(duì)RN進(jìn)行Cholesky分解得到).

將式(1)兩邊同時(shí)右乘以vT(t-jΔt)，并取數(shù)學(xué)期望值，整理得：

(2)

式中：Rv，RN分別為v(t)和N(t)的協(xié)方差矩陣.

將式(2)寫(xiě)成矩陣形式為：

(3)

式中：Ψ為(p+1)M×M階矩陣，Ψ=[I,Ψ1,…,Ψp]T；Op為pM×M階零矩陣；R為(p+1)M×(p+1)M階自相關(guān)Toeplitz矩陣，寫(xiě)成分塊矩陣形式為：

R=

(4)

式中：Rij(mΔt)為M×M階方陣，i,j=1,…,p+1，m=0,…,p. 根據(jù)Wiener-Khintchine公式有：

(5)

式中：Sij(f)為脈動(dòng)風(fēng)速譜，當(dāng)i=j時(shí)，Sij(f)為脈動(dòng)風(fēng)速自功率譜密度函數(shù)，當(dāng)i≠j時(shí)，Sij(f)為脈動(dòng)風(fēng)速互功率譜密度函數(shù)，i,j=1,2,…,M；f為脈動(dòng)風(fēng)速頻率.

互功率譜可由自功率譜和相干函數(shù)確定：

(6)

式中：Sii(f)，Sjj(f)為自功率譜；rij(f)為相干函數(shù)，根據(jù)Shiotani的建議取值：

(7)

式中：Lx，Ly和Lz分別為考慮風(fēng)速空間各方向相關(guān)性的系數(shù)，取值為L(zhǎng)x=Ly=50，Lz=60.

工程界普遍認(rèn)可的脈動(dòng)風(fēng)功率譜有Simiu譜、Davenport譜及Kaimal譜等. 我國(guó)學(xué)者石沅通過(guò)對(duì)上海地區(qū)臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出了石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[7]：

(8)

1.2 風(fēng)荷載計(jì)算方法

塔架上第i點(diǎn)處t時(shí)刻的風(fēng)速由周期在10 min以上的平均風(fēng)和周期只有幾秒的脈動(dòng)風(fēng)組成，即：

(9)

則塔架上第i點(diǎn)處t時(shí)刻的風(fēng)壓可表示為：

(10)

式中：wi(t)為第i點(diǎn)在t時(shí)刻的風(fēng)壓，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3.

式(10)中脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)速平方項(xiàng)數(shù)值較小，可忽略. 將得到的風(fēng)壓乘以相應(yīng)特征點(diǎn)的所轄面積即可計(jì)算出第i點(diǎn)的風(fēng)荷載，對(duì)于塔架結(jié)構(gòu)，考慮風(fēng)載體型系數(shù)后的風(fēng)荷載表達(dá)式為：

(11)

式中:Fi(t)為第i點(diǎn)t時(shí)刻的風(fēng)荷載，N；μs為結(jié)構(gòu)風(fēng)載體型系數(shù)；Ai為第i點(diǎn)所轄迎風(fēng)面面積，m2.

在臺(tái)風(fēng)天氣，風(fēng)力機(jī)必然處于停機(jī)狀態(tài). 此時(shí)，作用在風(fēng)力機(jī)機(jī)艙和葉片上的風(fēng)荷載亦可根據(jù)式(11)分區(qū)進(jìn)行計(jì)算，平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速均采用風(fēng)力機(jī)輪轂高度處的數(shù)值.

1.3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程

在結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析中，時(shí)域分析法將隨機(jī)的風(fēng)荷載模擬成時(shí)間的函數(shù)，然后直接求解運(yùn)動(dòng)方程. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下所有節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)方程寫(xiě)成矩陣形式為：

(12)

在實(shí)際分析中，體系的總阻尼矩陣可采用瑞利阻尼，即

C=αM+βK.

(13)

式中:α和β為瑞利阻尼系數(shù)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的2個(gè)固有頻率以及相應(yīng)阻尼比確定.

2 不同塔架風(fēng)力機(jī)建模

采用文獻(xiàn)[8-9]建立的某典型2 MW水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪-機(jī)艙模型進(jìn)行研究，其輪轂高度為80 m，風(fēng)輪直徑為93 m，額定風(fēng)速為11 m/s，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為9.7～17.5 r/min. 該模型采用實(shí)際外輪廓尺寸，并將風(fēng)輪和機(jī)艙視為單層空心結(jié)構(gòu)，用殼單元模擬，葉片骨架及機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備以增加葉片或機(jī)艙厚度的方式加以考慮. 風(fēng)輪與機(jī)艙罩均采用玻璃鋼，其物理力學(xué)參數(shù)[9]為：展向彈性模量42.6 GPa，徑向彈性模量16.5 GPa，剪切彈性模量5.5 GPa，泊松比0.22，密度1 950 kg/m3. 通過(guò)對(duì)該模型進(jìn)行氣動(dòng)性能分析和風(fēng)雨荷載有限元分析，文獻(xiàn)[8-9]表明該風(fēng)輪-機(jī)艙模型的幾何形態(tài)可靠，所采用的物理力學(xué)參數(shù)能很好地描述材料的主要性能.

塔架采用鋼錐筒塔架、鋼筋混凝土錐筒塔架、鋼-混凝土混合錐筒塔架和鋼管格構(gòu)式塔架4種不同的結(jié)構(gòu)形式. 它們的設(shè)計(jì)參數(shù)主要參考了文獻(xiàn)[9-13]，并進(jìn)行了適當(dāng)優(yōu)化與改進(jìn)，具體見(jiàn)表1. 文獻(xiàn)[11]將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了鋼錐筒塔架Abaqus有限元模型的準(zhǔn)確性. 本文中，鋼材均采用彈塑性模型，彈性模量為210 GPa，屈服強(qiáng)度為345 MPa，泊松比為0.2，阻尼比為0.03；混凝土采用損傷塑性模型，彈性模量為30 GPa，抗拉強(qiáng)度為1.57 MPa，抗壓強(qiáng)度為16.7 MPa，泊松比為0.25，阻尼比為0.05.

為了考慮風(fēng)力機(jī)塔架基礎(chǔ)與地基之間的相互作用，本文采用文獻(xiàn)[14]給出的方法，即在基礎(chǔ)和地基之間設(shè)置彈簧阻尼器. 對(duì)于一個(gè)剛性圓形基礎(chǔ)，可依據(jù)基礎(chǔ)周圍土體性質(zhì)和基礎(chǔ)尺寸來(lái)確定剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，表達(dá)式分別為[13]：

(14)

(15)

式中：ki(i=h,v,φ) 分別為水平向、豎直向和轉(zhuǎn)動(dòng)向(抗彎、扭)剛度系數(shù)；類似地，ci(i=h,v,φ)為對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù)；R為圓形基礎(chǔ)的半徑；G，μ和ρ分別是土體的剪切模量、泊松比和密度.

表1 各形式塔架的主要參數(shù)

本文采用的彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)見(jiàn)表2. 圖1給出了4種塔架的“葉輪-機(jī)艙-塔架-基礎(chǔ)”風(fēng)力機(jī)一體化有限元模型.

表2 彈簧剛度系數(shù)及阻尼系數(shù)

(a)鋼塔 (b)混凝土塔 (c)混合塔 (d)格構(gòu)塔圖1 不同塔架形式的風(fēng)機(jī)模型Fig.1 Wind turbine models with different towers

3 風(fēng)力機(jī)模態(tài)分析

塔架結(jié)構(gòu)無(wú)阻尼自由振動(dòng)的自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性，尤其是低階振型能量大，當(dāng)激振力頻率接近這些頻率時(shí)易引起共振，使結(jié)構(gòu)遭到破壞. 建立“基礎(chǔ)-塔架-機(jī)艙-風(fēng)輪”一體化模型和“塔架-基礎(chǔ)”模型(不考慮風(fēng)輪與機(jī)艙的影響)進(jìn)行模態(tài)分析，得到各風(fēng)力機(jī)的前5階模態(tài)，對(duì)應(yīng)的自振頻率見(jiàn)表3.

表3 各塔架模型風(fēng)機(jī)的自振頻率

注：表中“有”“無(wú)”分別表示有、無(wú)風(fēng)輪和機(jī)艙，即是否考慮風(fēng)輪及機(jī)艙對(duì)塔架自振特性的影響.

從表3發(fā)現(xiàn)，不考慮風(fēng)輪及機(jī)艙影響時(shí)鋼管格構(gòu)式塔架的自振頻率最大，而考慮風(fēng)輪及機(jī)艙影響后鋼錐筒塔架的基本頻率最小，鋼筋混凝土錐筒塔架最大，而鋼-混凝土混合塔架的基本頻率介于兩者之間. 由此可見(jiàn)風(fēng)輪和機(jī)艙對(duì)風(fēng)力機(jī)自振頻率的影響很大，分析時(shí)不可忽略它們對(duì)塔架的影響. 引起塔筒共振的激振頻率包括葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和風(fēng)振頻率[15]. 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍為9.7～17.5 r/min，相應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)1P頻率為0.162～0.292 Hz，3P頻率為0.485～0.875 Hz，考慮風(fēng)輪及機(jī)艙時(shí)各風(fēng)力機(jī)的固有頻率都避開(kāi)了風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)1P和3P頻率范圍，不會(huì)發(fā)生共振.

4 塔架臺(tái)風(fēng)響應(yīng)分析

本文將風(fēng)力機(jī)沿輪轂高度均分為16份，共計(jì)17個(gè)特征點(diǎn)，采用石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜，通過(guò)MATLAB編程對(duì)脈動(dòng)風(fēng)進(jìn)行模擬. 10 m高度處的平均風(fēng)速取35 m/s，40 m/s，45 m/s和50 m/s 4個(gè)不同強(qiáng)度，分別對(duì)應(yīng)于蒲福風(fēng)力等級(jí)的12，13，14和15級(jí)臺(tái)風(fēng). 其他模擬參數(shù)取值如下：地面粗糙度系數(shù)k=0.003，自回歸階數(shù)p=4，時(shí)間步長(zhǎng)Δt= 0.1 s，時(shí)距取200 s. 圖2給出了50 m/s臺(tái)風(fēng)下風(fēng)力機(jī)第9點(diǎn)(40 m高處)的脈動(dòng)風(fēng)模擬結(jié)果，可知模擬譜與石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜吻合較好，說(shuō)明用AR法模擬得到的臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程是可靠的. 圖3為按式(11)計(jì)算得到的50 m/s臺(tái)風(fēng)時(shí)鋼錐筒風(fēng)力機(jī)上第9點(diǎn)的水平風(fēng)荷載時(shí)程曲線.

圖2 脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程曲線及功率譜Fig.2 Time-history and power spectrum curves of fluctuating wind speed (=50 m/s)

圖3 鋼錐筒風(fēng)力機(jī)第9點(diǎn)的水平風(fēng)荷載Fig.3 Horizontal wind load at the ninth point of the steel conical-cylindrical tower

利用Abaqus有限元軟件對(duì)臺(tái)風(fēng)荷載下各塔架形式的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析. 分析工況是在10 m高處風(fēng)速為35 m/s，40 m/s，45 m/s和50 m/s 4種風(fēng)速條件下風(fēng)力機(jī)順槳停機(jī)成功，但風(fēng)向突然偏轉(zhuǎn)90°這一最危險(xiǎn)工況[16-17]，此時(shí)葉片和機(jī)艙受到的風(fēng)荷載最為顯著. 分析時(shí)塔架風(fēng)荷載以集中力的形式施加在已選定的特征點(diǎn)上，風(fēng)輪及機(jī)艙所受的風(fēng)荷載則以集中力和力矩的形式施加在其作用中心.

圖4為4種塔架形式風(fēng)力機(jī)在50 m/s臺(tái)風(fēng)條件下的塔頂順風(fēng)向加速度時(shí)程曲線，由圖可知，塔頂順風(fēng)向加速度幅值最小的是鋼錐筒塔架風(fēng)力機(jī)，為2.63 m/s2；加速度幅值最大的是鋼管格構(gòu)式塔架風(fēng)力機(jī)，為9.61 m/s2. 圖5給出了50 m/s臺(tái)風(fēng)條件下各風(fēng)力機(jī)塔架最大順風(fēng)向位移沿高度的分布情況. 從圖5可知，各風(fēng)力機(jī)的順風(fēng)向位移從塔底至塔頂呈非線性增加，其中鋼筋混凝土錐筒塔架的順風(fēng)向位移最小，為0.443 m；鋼管格構(gòu)式塔架的順風(fēng)向位移最大，為1.125 m；鋼-混凝土混合塔架在塔底混凝土段發(fā)生的位移比鋼錐筒塔架小，沿高度增加，其順風(fēng)向位移慢慢接近并超過(guò)鋼錐筒塔架的位移. 根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)規(guī)定，按非線性分析的高聳結(jié)構(gòu)的水平位移不應(yīng)大于其高度的1/50. 針對(duì)本文80 m高的塔架，其水平位移限值為1.6 m，可知以上4種塔架在臺(tái)風(fēng)作用下均未超限.

(a)鋼錐筒塔架

(b)鋼筋混凝土筒塔架

(c)鋼-混凝土混合塔架

(d)鋼管格構(gòu)式塔架圖4 塔架頂部加速度響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.4 Time-history curves of the acceleration responses at the tower tops

圖5 塔架順風(fēng)向位移峰值沿高度分布Fig.5 Distributions of downwind displacement peaks of towers along height

表4 50 m/s臺(tái)風(fēng)下各塔架應(yīng)力和位移響應(yīng)峰值

注：表中最大等效應(yīng)力為對(duì)鋼材而言，最大拉(壓)應(yīng)力則對(duì)應(yīng)于混凝土材料.

綜上所述，鋼筋混凝土錐筒塔架因剛度和自重大，其風(fēng)載動(dòng)力響應(yīng)較小，抗風(fēng)性能最好且比較穩(wěn)定，鋼-混凝土混合塔架次之，而鋼管格構(gòu)式塔架屬輕型柔性結(jié)構(gòu)，其風(fēng)載響應(yīng)最大.

圖6 塔架順風(fēng)向位移最大值與臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的關(guān)系Fig.6 Relationship between the maximum downwind displacement of towers and typhoon wind speed

5 結(jié) 論

1)采用自回歸(AR)模型對(duì)脈動(dòng)風(fēng)進(jìn)行模擬，并結(jié)合MATLAB編程得到的脈動(dòng)風(fēng)功率譜與石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜吻合較好，說(shuō)明采用AR法模擬脈動(dòng)風(fēng)是合理的，同時(shí)也確保了風(fēng)速時(shí)程模擬與后續(xù)分析過(guò)程的可靠性.

2)塔架結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性使同一塔架的相鄰模態(tài)兩兩接近相等，當(dāng)考慮風(fēng)輪和機(jī)艙影響時(shí)風(fēng)力機(jī)的自振頻率明顯減小，故分析時(shí)不可忽略風(fēng)輪及機(jī)艙對(duì)塔架的影響；所研究的4種塔架形式風(fēng)力機(jī)的固有頻率均避開(kāi)了風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)1P和3P頻率范圍，不會(huì)發(fā)生共振.

3)風(fēng)力機(jī)塔架的順風(fēng)向位移沿塔高呈非線性增加，其中鋼筋混凝土錐筒塔架最小，而鋼管格構(gòu)式塔架最大. 塔架的最大順風(fēng)向位移均隨臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的增大而增加，其中鋼筋混凝土錐筒塔架的位移隨風(fēng)速增加呈平緩線性增加趨勢(shì)，而其他3種塔架的位移隨風(fēng)速的增加表現(xiàn)為非線性增加.

4)在50 m/s臺(tái)風(fēng)作用下，鋼管格構(gòu)式塔架作為輕型柔性結(jié)構(gòu)，其塔頂水平位移、水平加速度及塔架應(yīng)力均較大，風(fēng)載響應(yīng)最為顯著，鋼錐筒塔架次之，而鋼筋混凝土塔架因具有較大的自重和剛度，其位移響應(yīng)最小，抗風(fēng)性能較好.

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Typhoon-resistance Analysis of Wind Turbines with DifferentTowers Based on Time-domain Method

LIU Xinxi1,DENG Zongwei2?,GAO Qianfeng3

(1. School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China; 2. School of Civil Engineering,Hunan City University,Yiyang 413000,China;3. College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

In order to investigate the typhoon-resistance of wind turbines with different towers,four wind turbine integration models with different forms of towers were built by Abaqus finite element software and Autoregressive (AR) model was used to simulate the fluctuating wind for modal analyses and typhoon time-history analyses. The results show that the natural frequencies of wind turbines are greatly affected by wind rotor and nacelle. When the typhoon wind speed increases,the maximum along-wind displacement of the steel conical-cylindrical tower climbs linearly,while those of the other 3 towers show a significant nonlinear growth. As a lightweight flexible structure,the steel tube lattice tower exhibits the greatest dynamic response,and the steel conical-cylindrical tower exhibits the second one. Because of the considerable stiffness and weight,the displacement response of the reinforced concrete conical-cylindrical tower is the minimum,and the typhoon-resistance capability is the best.

wind turbine tower; time-domain analysis; fluctuating wind simulation; typhoon load; dynamic response

TK83

A

1674-2974(2017)11-0081-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.010

2016-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378082), National Natural Science Foundation of China(51378082)；湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A024), Key Project of Scientific Research of Hunan Educational Committee(14A024)

劉新喜(1963—)，男，湖南新邵人，長(zhǎng)沙理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail:teapotd@163.com