弹性地基梁振动特性的近似分析方法

文中介绍了用模态摄动法分析复杂情况下弹性地基梁动力特性的近似方法。这一方法中可考虑纵向钢筋以及变地基弹性系数对弹性地基梁振动特性的影响，通过算例说明了这一方法的有效性。     

水中圆锥形柱腿的自振特性分析

水中圆锥形柱腿的抗弯刚度和分布质量沿柱高是变化的，液团交界面不是一个圆柱面，分析该系统的耦联振动有一定难度。本文基于线性自由液面条件和势流模型，采用干模态展开，深入研究了这类柱腿的弯曲自振特性。文中首先借助微分算子分解和变量代换求出相应的干模态，由于它是封闭解，从而给干模态展开研究湿模态问题带来极大的方便。然后再利用干模态的完备正交性，将求干模态空间里的主坐标变成一个低阶广义特征值问题。和有限元等数值方法相比，计算工作量小且精度高。     

局部损伤梁动力问题的近似计算方法

应用模态摄动法求解局部损伤梁动力特性。这一方法是在无损伤梁的模态子空间内实施,将含局部损伤梁的微分方程的求解转化为代数方程求解。通过算例,表明这一方法可有效的简化计算,同时计算结果具有较高的精度。     

弯曲型剪力墙动力分析的模态摄动法

本文应用直接模态摄动法建立了小开口弯曲型剪力墙和双肢弯曲型剪力墙动力特性近似分析方法,在这一方法中,以等截面均匀悬臂梁的正交模态函数为Ritz展开的基函数,把弯曲型剪力墙看作均匀悬臂梁的局部修改后的新体系,通过模态摄动原理,获得小开口弯曲型剪力墙和双肢弯曲型剪力墙振动模态的半解析解。算例结果表明模态摄动法能够简便地得到精度高的结构动力特性。     

任意边界条件下Timoshenko梁及其修正理论的自振特性分析

提出一种求解任意边界条件下经典Timoshenko梁以及修正Timoshenko梁自振频率和振型的新方法。利用改进的傅立叶级数消除传统傅立叶级数的边界不收敛问题,然后通过Rayleigh-Ritz法导出Timoshenko梁的拉格朗日泛函,根据Hamilton原理将原问题转化为求解矩阵广义特征值问题。通过与解析解对比,本文采用的方法具有较好的收敛性以及较高的计算精度;通过数值计算发现,经典Timoshenko梁的自振频率略高于修正的Timoshenko梁,随着振型阶数的提高,经典Timoshenko梁的计算结果逐渐偏离文献解和有限元结果,而修正的Timoshenko梁能够保持较好的一致性;对于不同边界条件下修正Timoshenko梁的计算结果均能与有限元的计算结果吻合得很好。最后运用MATLAB编程软件将程序设计为App,对于不同情形的梁只需要修改参数即可,可为实际工程提供高效便捷的计算方案和可靠理论依据。     

考虑剪力滞和剪切变形的薄壁箱梁自振特性分析

以能量变分原理为基础,综合考虑箱形梁满足应力自平衡的剪力滞、剪切变形和转动惯量等多重因素的影响,推导出箱梁的自由振动方程及自然边界条件。通过算例将本文解析计算结果与ANSYS有限元计算结果进行了比较。结果表明,两者计算结果吻合良好,论证了本文计算方法的正确。所得公式比以往箱形箱梁自振特性计算理论有一定发展,并得出了一些对工程设计有意义的结论;在剪力滞效应的作用下,箱形梁的固有频率减小幅度较大,不能忽略;剪力滞效应随频率阶次的升高而变大,随着跨宽比的减小而增大。     

风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法

本文提出了一种风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法．将机舱和叶片整体、连接法兰盘分别简化为集中质量,塔筒简化为非均匀悬臂梁,建立风机塔筒结构横向振动方程．给出了用假设模态法计算塔筒结构固有频率和模态函数的过程．通过与文献及有限元数值结果比较验证了方法的有效性．本文方法仅需给出结构的基本参数,如截面半径变化规律、法兰盘位置和质量、机舱及叶片质量,便可快速求解其频率和模态,无需建立其复杂的力学模型．     

考虑流固耦合的近海风电支撑体系自振特性分析

近海风电支撑结构的自振特性是此类结构抗震设计的基础.以某海上风电场1.5MW风电基础支撑体系为背景,考虑流固耦合效应,采用有限元方法对近海风电支撑体系的自振频率和振型进行了计算分析.文中首先将单桩无水工况的数值结果与解析结果做了比较,验证了本文有限元模型的准确性.在此基础上,分单桩有水、单桩无水、四桩有水和四桩无水四种工况进行了支撑体系的自振特性分析,给出了前十阶自振频率和振型,探讨了势流体水层对近海风电支撑体系自振特性的影响.结果表明:水层的存在对单桩体系的前两阶自振频率以及四桩体系的前四阶自振频率影响甚小;总体而言,水层对单桩体系三阶以后的自振频率的影响要明显大于对四桩体系五阶以后的自振频率的影响;本文选取的近海风电支撑体系的各阶频率均能有效避开马达转动频率和叶轮扫略频率.     

双材料单伸臂叠合梁的界面滑移与自振特性分析

将叠合梁划分为接触区和分离区,接触区界面间的摩擦作用会对叠合梁的滑移、刚度和自振频率产生影响.本文给出了单伸臂叠合梁在均布荷载和集中力作用下,考虑叠合界面摩擦作用的滑移应变和滑移分布的表达式;推导了考虑叠合界面间摩擦力及摩擦力产生的抵抗弯矩共同作用下的截面刚度.假设梁按等波长和等刚度两种形式自由振动,运用传递矩阵法推导...     

端部任意弹性约束变截面地基梁的自由振动特性分析

研究端部弹性约束地基梁的自由振动特性。将梁的弯曲位移用传统傅里叶级数与辅助函数表示,即应用改进傅里叶级数形式,以突破传统傅里叶级数不能满足端部弹性约束条件的局限;基于地基梁的拉格朗日函数,由瑞利-里兹方法把振动问题转化为矩阵特征值问题,得到地基梁的固有频率;研究经典边界地基梁的多个算例,通过调整边界处约束弹簧的刚度值,获得端部弹性约束地基梁的各阶固有频率。所得固有频率值与已有文献结果一致,验证了本文方法的快速收敛性和正确性。本文方法具有一定的通用性和实际工程应用价值,为扩展至其他工程梁、板等结构的动态特性分析提供了良好的借鉴。     

Computational analysis of vertical axis wind turbine arrays

Canonical problems involving single, pairs, and arrays of vertical axis wind turbines (VAWTs) are investigated numerically with the objective of understanding the underlying flow structures and their implications on energy production. Experimental studies by Dabiri (J Renew Sustain Energy 3, 2011) suggest that VAWTs demand less stringent spacing requirements than their horizontal axis counterparts and additional benefits may be obtained by optimizing the placement and rotational direction of VAWTs. The flowfield of pairs of co-/counter-rotating VAWTs shows some similarities with pairs of cylinders in terms of wake structure and vortex shedding. When multiple VAWTs are placed in a column, the extent of the wake is seen to spread further downstream, irrespective of the direction of rotation of individual turbines. However, the aerodynamic interference between turbines gives rise to regions of excess momentum between the turbines which lead to significant power augmentations. Studies of VAWTs arranged in multiple columns show that the downstream columns can actually be more efficient than the leading column, a proposition that could lead to radical improvements in wind farm productivity.     

Aeroelastic analysis of large horizontal wind turbine baldes

A nonlinear aeroelastic analysis method for large horizontal wind turbines is described. A vortex wake method and a nonlinear finite element method (FEM) are coupled in the approach. The vortex wake method is used to predict wind turbine aerodynamic loads of a wind turbine, and a three-dimensional (3D) shell model is built for the rotor. Average aerodynamic forces along the azimuth are applied to the structural model, and the nonlinear static aeroelastic behaviors are computed. The wind rotor modes are obtained at the static aeroelastic status by linearizing the coupled equations. The static aeroelastic performance and dynamic aeroelastic responses are calculated for the NH1500 wind turbine. The results show that structural geometrical nonlinearities significantly reduce displacements and vibration amplitudes of the wind turbine blades. Therefore, structural geometrical nonlinearities cannot be neglected both in the static aeroelastic analysis and dynamic aeroelastic analysis.     

Dynamic wind loads and wake characteristics of a wind turbine model in an atmospheric boundary layer wind

An experimental study was conducted to characterize the dynamic wind loads and evolution of the unsteady vortex and turbulent flow structures in the near wake of a horizontal axis wind turbine model placed in an atmospheric boundary layer wind tunnel. In addition to measuring dynamic wind loads (i.e., aerodynamic forces and bending moments) acting on the wind turbine model by using a high-sensitive force-moment sensor unit, a high-resolution digital particle image velocimetry (PIV) system was used to achieve flow field measurements to quantify the characteristics of the turbulent vortex flow in the near wake of the wind turbine model. Besides conducting “free-run” PIV measurements to determine the ensemble-averaged statistics of the flow quantities such as mean velocity, Reynolds stress, and turbulence kinetic energy (TKE) distributions in the wake flow, “phase-locked” PIV measurements were also performed to elucidate further details about evolution of the unsteady vortex structures in the wake flow in relation to the position of the rotating turbine blades. The effects of the tip-speed-ratio of the wind turbine model on the dynamic wind loads and wake flow characteristics were quantified in the terms of the variations of the aerodynamic thrust and bending moment coefficients of the wind turbine model, the evolution of the helical tip vortices and the unsteady vortices shedding from the blade roots and turbine nacelle, the deceleration of the incoming airflows after passing the rotation disk of the turbine blades, the TKE and Reynolds stress distributions in the near wake of the wind turbine model. The detailed flow field measurements were correlated with the dynamic wind load measurements to elucidate underlying physics in order to gain further insight into the characteristics of the dynamic wind loads and turbulent vortex flows in the wakes of wind turbines for the optimal design of the wind turbines operating in atmospheric boundary layer winds.     

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε（RNG）湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室（NREL）5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

风机叶片覆冰机理与预测分析

高原和寒冷地区风能资源十分丰富,风机在此地区运行时叶片表面极易出现覆冰现象.针对寒区风机叶 片覆冰问题,本文首先明确覆冰机理以及主要的影响参数;基于数值模拟分析在冻雨条件下,环境因素和叶片几何参数对叶片覆冰的影响.结果表明,当温度不变,风速从2 m/s增加到4 m/s时,叶片表面的最大覆冰厚度增幅高达117％;当风速从...     

风机叶片涂层雨蚀研究

研究了风电叶片在雨水冲击下的失效过程,利用有限元方法建立雨水冲击的数值模型,分析了雨滴的冲击角度、直径、涂层性能等对涂层受力的影响,并对双雨滴及四雨滴耦合模型进行了研究。结果表明:风雨耦合流场中叶片最大载荷在叶尖处,涂层的冲击受力与雨滴冲击角度和雨滴直径的大小呈正相关。低模量涂层能大幅降低涂层受冲击时的拉伸应力,小幅增加其压缩应力。同一平面内的双雨滴耦合时,拉伸应力受影响的范围较大,压缩应力受影响的范围较小。不同高度差下的双雨滴耦合中,随着高度差的增大,材料拉伸和压缩应力都呈现先增后减的趋势,其中压缩应力随高度差的变化幅度明显大于拉伸应力。四雨滴耦合时压缩应力对间距的变化更加敏感。涂层失效的过程主要为:涂层表面拉应力疲劳产生微裂纹;液压渗透引起裂纹扩展,涂层质量减少,表面粗糙度增加;表面小范围破坏后形成的凹面结构促进涂层的失效。     

大型海上风力机尾迹区域风场分析

随着世界范围内海上风电场的不断兴起及海上风电场设计规模的日趋庞大,大型海上风力机尾迹区域风场特征的研究对于海上风电场的优化布局有着重要的指导意义。本文基于三维Navier-Stocks控制方程和适用于旋转流场分析的RNGk-ε湍流模型,采用滑移网格技术对美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW海上风力机的性能及其尾迹区域的风场特征进行了较为系统的数值模拟。通过将不同风速下风力机输出功率的数值结果与NREL的设计参考数据进行对比,三维数值模型的有效性得到了很好地验证。此外,在此基础上进一步研究了大型海上风力机额定风速下及不同风轮转速下尾迹区域平均风速的分布特征,并得到了一系列具有参考价值的重要结论。     

Dynamic analysis of wind turbine tower structures in complex ocean environment

Studying and analyzing the dynamic behavior of offshore wind turbines are of great importance to ensure the safety and improve the efficiency of such expensive equipments. In this work, a tapered beam model is proposed to investigate the dynamic response of an offshore wind turbine tower on the monopile foundation assembled with rotating blades in the complex ocean environment. Several environment factors like wind,wave, current, and soil resistance are taken into account. The proposed model is ...     

新型升阻混合型垂直轴风力机气动特性研究

考虑S型与H型垂直轴风力机的特点,设计了一种新型升阻混合型垂直轴风力机,采用CFD法计算其启动与气动性能。结果表明,原始H型垂直轴风力机数值结果与试验值在各工况下吻合良好;新型升阻混合型垂直轴风力机不同方位角下的启动力矩均大于原始H型风力机,最小及最大值分别提升232%和83.3%;S型风轮输出功率随叶片重叠比增加而减小,完全重叠时输出功率基本为0;新型升阻混合型垂直轴风力机最大风能利用率为0.298,具有更复杂的流场特性。