近海风机塔架风浪荷载及其响应分析_陈为飞

三桩基础海上风机整体结构的共振分析海上风机的共振分析对于设计和运维至关重要。

共振是指当一个物体的振动频率与另一个物体的振动频率相接近时，会引起共振现象，从而增加结构的振动幅度和应力，甚至导致结构破坏。

对于海上风机这种高度暴露于海洋环境中的结构来说，共振分析尤为重要。

下面将从风机塔架、机舱和叶轮等三个方面对海上风机的共振分析进行探讨。

首先，风机塔架是风机结构的主要承载部分，也是常发生共振问题的地方。

在共振分析中，首先需要确定塔架的垂直共振频率和水平共振频率。

对于垂直共振，主要是分析风荷载和塔身自身结构的自振引起的共振。

对于水平共振，主要是分析风向输入振动引起的共振。

为了降低共振频率的影响，可以采取以下措施：一是增加塔身的刚度，可以通过增加塔身截面的尺寸或采用高强度材料来实现；二是通过增加阻尼措施来抑制共振现象，比如在塔身上安装阻尼器或阻尼器；三是通过改变塔身的几何形状来改变其共振频率。

其次，机舱是风机的控制中心，也是共振分析的重点之一、机舱内部包含了风机的发电装置、传动装置等，这些设备在工作过程中会产生振动，并且这些振动也会对整个机舱结构产生影响。

因此，在共振分析中，需要对机舱内的振动进行分析，并采取措施来降低机舱的共振现象。

一方面，可以通过对机舱内设备的布局和固定方式进行优化来减小振动的产生；另一方面，可以通过增加机舱结构的刚度和降低共振频率来避免共振问题。

最后，叶轮是风能转化为机械能的关键部分，也是容易发生共振的地方。

叶轮在运行过程中会受到风的作用力和旋转运动的惯性力的影响，这些力会引起叶轮的振动。

为了避免共振问题，可以考虑以下措施：一是增加叶轮的刚度，可以通过增加叶片的截面尺寸或采用高强度材料来实现；二是通过改变叶轮的扭曲角度或叶片的布置方式来改变叶轮的共振频率；三是增加叶轮的阻尼来抑制共振现象。

综上所述，海上风机的共振分析是保证其设计和运维安全的重要环节。

在共振分析中，需要对风机塔架、机舱和叶轮等三个方面进行分析，通过增加结构的刚度、增加阻尼和改变结构的几何形状等措施来降低共振的影响。

研讨近海风机新型式基础的动力响应1.前言根据"十二五"可再生能源规划，未来5年我国海上风电将进入加速发展期。

与内陆风电相比，海上风电具有不占用耕地以及高风速、高产出等优势。

为了承受上部平台结构巨大自重及其设备所引起的竖向荷载、强风荷载和波浪冲击等，海上风电机组的基础远比陆上的结构复杂、技术难度高。

根据资料显示，海上风电基础成本约占整个工程成本的15%-25%，被公认为是造成海上风电成本较高的主要因素之一。

因此，设计和建设安全、合理且经济的近海风机基础成为开发近海风电资源的关键问题之一。

由于海上风机受到的作用荷载复杂，在对风机基础的强度设计时不仅要考虑多荷载组合后的极大值，而且应考虑动荷载下风机的动力响应特性。

当今国内外结构设计的发展趋势是应用可靠性理论、推行结构概率设计方法以取代传统的安全系数设计法。

在结构可靠性研究领域，经过世界各国学者的努力，已取得了非常多的研究成果。

因此有必要引入可靠度理论对风电基础的失效概率进行分析，这对保证其安全性有着极其重要的工程价值。

2针对风机本构关系的动力响应研究2.1针对不同基础形式的研究近海风机采用的桩基础广泛用于各个工程领域，其动力响应的研究要求对风机所处环境的荷载和本构关系进行等效模拟。

近年来专家学者针对风机不同的基础形式进行了一系列的研究。

对于不同的基础结构形式，其在荷载下的承载特性均会出现一定的差异，因此有必要针对不同基础形式选用合适的有限元模型。

刘琳[1]讨论了特定海区1.5MW风机单桩基础结构的动力和静力特性。

考虑海洋环境荷载，以及风机不同工况下的不同荷载，选择SESAM软件来建立有限元模型，计算结构在极端环境荷载下的静强度和屈曲，运用API规范中的工作应力法来校核结构的刚度、强度和稳定性。

郇彩云[2]选用四桩风机基础结构进行研究，采用软件ANSYS，考虑波流荷载和地震荷载，对结构进行静力分析、动力分析计算。

沈玉光[3]建立了海上风电同型基础结构体系的模型，把筒型基础和塔架连接的过渡段等效为大直径圆筒，针对风浪荷载，对该模型进行了动力响应分析，并对不同工况的荷载进行了组合。

海上与陆地风机发电机组设计载荷工况的分析对比邓英温和旭姚兴佳衣传宝王建国沈阳工业大学风能技术研究所 110023 沈阳辽宁摘要文章从兆瓦级风力发电机的结构特点和应用范围角度上，给出了海上和陆地风力发电机组主要特点和区别，特别是较详细的给出了海上风力发电机组四种工况41个条件下的载荷工况，与陆地风力发电机组IEC规定的载荷工况进行对比，得到机组设计中正常工况载荷、极端工况载荷、特殊工况载荷及安装运输工况载荷的主要特性，海上和陆上风机的载荷工况特点；特别是提出了设计中应当注意的几个问题，在进行技术设计时，首先是机组安全设计，然后是可靠性和使用寿命设计，最终达到海上风力发电机组可靠稳定运行。

1、概述随着陆地风力发电技术的的日益成熟，陆地上的有限风能相继开发，人们又想到了海上丰富风能资源，考虑建设海上风电场。

海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高。

综合上述两个因素，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。

这样一股建设海上风电场的的热潮在世界范围掀起，海上风力发电机的组成为业内关注的焦点，它与陆地风力发电机组的区别主要体现在地基建设的难度高，机组各部件载荷比陆地机组强度大，安全设计采用特殊安全等级。

从外部特征上表现在不同之处如下：（1）、电网连接国外好多海上风电场电网没有直接并网，而是采用AC(交流输电线)方式并入该地区的输电系统。

但有些风电场如瑞典、挪威和德国的其联网方式采用直流方式，输电方式采用高压直流输电。

（2）、敷设海底电缆海上风电场通过敷设海底电缆与主电网并联，为了降低捕鱼工具、锚等对海底电缆造成破坏的风险，海底电缆必须埋起来。

如果底部条件允许，可用水冲海床(使用高压喷水)，然后使电缆置入海床而不是将电缆掘进或投入海床，这样做的方法最好。

（3）、联结电压对于120-150兆瓦容量的风电场与30～33千伏的电压等级相联时，每个风电场中，会有一个30～150千伏变电站的平台和相应的辅助设备。

海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析海上漂浮式风电机组对海上环境要求较高，因此需要充分了解和计算海浪载荷，以确保安全运行。

海浪是海洋中的一种涡流，其频率、幅值和振幅周期不断变化，是海上风电机组的主要载荷。

本文的目的是计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷，以确保其安全性。

海浪载荷的计算可以分为三个步骤：海浪谱计算、海面通量的计算和海浪载荷的实际计算。

首先，海浪谱可以通过实验和模型计算获得。

实验可以在平坦水上进行测量，得到不同频率的海浪能量密度信息，从而提供海浪能量分布。

实验研究表明，海浪谱可以用一般的双曲线拟合得到。

其次，可以计算海面通量。

海面形态的改变可以用张量积分计算方法来进行，以获得海面通量信息，从而获得不同频率的海浪能量转化率。

最后，可以计算海浪载荷。

根据海浪谱和海面通量信息，可以计算出每种频率海浪载荷的总和，从而得到海浪载荷总和。

接下来，为了更好地分析海浪载荷，可以采用统计分析方法。

首先，可以分析海浪谱的分布，以及给定频率的海浪能量。

其次，可以分析不同频率的海浪载荷的分布特征，以及每个频率的海浪载荷的大小。

最后，可以统计分析总载荷的分布特征以及最大载荷大小。

在计算和分析海浪载荷过程中，可以按照不同的方向进行分析，比如按照不同的时间段，或者按照不同的地域来进行分析。

例如，可以针对具有特定时间段的海浪谱，计算特定时间段内的海浪载荷，或者针对特定区域的海浪谱，计算特定区域内的海浪载荷。

在计算过程中，还可以根据设计浮子尺寸和形状对海浪载荷进行修正，以更精确地计算海浪载荷。

通过计算和分析海浪载荷，可以有效地确保海上漂浮式风电机组的安全性。

首先，可以计算出海浪载荷，以便评估机组的设计合理性。

其次，可以计算出悬浮式风电机组在某一地区、某一时间段的海浪载荷，以更准确地评估风电机组的性能。

最后，可以采取安全措施，以防止海浪载荷超过机组的承载能力，从而确保其安全性。

总之，计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷是评估机组性能和安全操作的重要手段，可以帮助有效地提升海上悬浮式风电机组的安全性。

波浪荷载对海上风电筒型基础结构振动响应的影响
陈露露;姜军倪;刘成果;蔡东;胡德芳
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2024(42)6
【摘要】以混凝土弧线段为过渡段的宽浅式筒型基础所受的波浪荷载较大,易对整个海上风电结构体系的振动响应产生影响。

针对某海上风电筒型基础结构,文章基
于现场实测数据构建了整机有限元模型,通过数值模拟方法分析波浪荷载对海上风
电筒型基础结构塔筒顶部振动响应的影响。

结果表明:在风机运行过程中,由风荷载
所引起的塔筒顶部的振动响应较波浪荷载所引起的响应要大;在浪高较小工况下,相
较风荷载,波浪荷载的影响可以忽略;波浪荷载对风机塔筒顶部振动响应的影响随着
外界风速及浪高的增大而增大,其对塔筒顶部振动位移响应的影响比振动加速度大。

【总页数】7页(P774-780)
【作者】陈露露;姜军倪;刘成果;蔡东;胡德芳
【作者单位】响水长江风力发电有限公司;天津大学建筑工程学院;长江勘测规划设
计研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TK81
【相关文献】
1.非对称风-浪荷载下海上风电筒型基础的累积倾角研究
2.海上风电筒型基础整机
运输过程荷载识别研究3.大尺度海上风电筒型基础在风荷载下的响应研究4.考虑
气动阻尼影响的海上风电筒型基础整机运行状态振动模拟研究5.考虑荷载安全裕度的海上风电筒型基础优化反演设计
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

海上风机塔架结构因素对极端天气的响应分析近年来，随着全球气候变化的加剧，极端天气现象越来越频繁，对于海上风机塔架的设计和安全运营提出了更高的要求。

海上风机塔架是连接风轮机和基座的重要结构，其可靠性和安全性关系到整个风电场的可持续发展。

本文旨在探讨海上风机塔架结构因素对极端天气的响应分析，为提高海上风电场的安全性能提供理论基础。

一、海上风机塔架的结构特点海上风机塔架结构复杂，由多个模块组成。

其主要组成部分包括塔筒、基础、平台、上塔盘、下塔盘、主轴等部分。

海上风机塔架的高度早已超过了百米，其结构特点可归纳为以下几点：1. 塔筒结构复杂塔筒是海上风电机组的重要承载部分，其结构复杂，主要包括塔筒外壳、筋肋板、内框架等结构组成，不同部位的截面形状、壁厚及材料均有所不同。

2. 基础稳定性关键海上风机塔架的基础是其稳定性的关键。

由于海上环境恶劣，海浪和海风的冲击力较大，基础建设必须严格按照设计要求进行，并相应进行环境风险评估。

3. 上下塔盘稳定性要求高上塔盘和下塔盘连接塔筒，是海上风机塔架的重要组成部分，其稳定性要求极高，不仅要承受旋转力矩和重力载荷，还需保证在极端天气情况下的安全性。

4. 主轴承受过载能力较强海上风机塔架的主轴承受着由风轮机转子引起的巨大转矩，且在极端天气情况下需要承受额外的载荷，主轴的强度和稳定性关系到海上风机塔架的整体运行安全。

二、极端天气对海上风机塔架的影响极端天气，如强风、暴雨、风暴潮、台风等，在海上环境下对海上风机塔架的影响主要集中在以下几个方面：1. 风力对海上风机塔架带来巨大压力在强风和台风等极端天气下，海上风机塔架所受的风力将超出设计范围，随着海风的加强，风压力会呈现出指数级增长，对海上风机塔架产生严重的冲击，并给整个风电场带来极大的安全隐患，甚至造成风电机组崩塌的风险。

2. 海浪对海上风机塔架造成冲击海浪是海上风机塔架的另一个极端天气因素。

强大的海浪冲击会对海上风机塔架产生巨大的振动和冲击，会引发结构失稳或破坏，对风电机组的运行安全造成严重威胁。

专版研究园地海上风力发电机组抗台风分析文／陈俊生　张斌０ 引言随着海上风电的不断发展，在国家政策的大力持下，我国即将迈入大规模的海上风电场建设阶段。

我国东海、南海风能资源丰富，适宜进行风能开发，然而在这两个海域台风频频发生，抗台风设计成为海上风力发电机组设计的重要内容，应对台风措施已经关系到沿海海上风电是否能安全可靠运行。

为提出适合我国国情的抗台风设计方法，本文首先给出了台风极值风速大、非平稳性强、风向变化快、与巨浪同步等基本特征，分析了海上风力发电机组在台风作用下常见的失效模式，其中以整体倾覆、塔筒失效、叶片破坏居多；在此基础上，从设计到控制策略上做好相关保障措施，避免海上风电机组颠覆性破坏，并力争实现基于可靠度的抗台风设计；最后进一步提出了相应的抗台风举措，以期为我国海上风力发电机组抗台风设计提供参考。

１ 台风对海上风力发电机组的危害在台风作用下，海上风力发电机组如果基础尺寸或者埋深不够，将导致基础大面积脱开，进而结构整体倾覆。

这种结构失效形式又称为颠覆性破坏，将带来巨大的经济损失。

2017年台风“天鸽”造成珠三角某陆上风电场叶片大量折断，多台风电机组破坏性倒塌，造成了严重的经济损失，甚至有些风机连根拔起；同时，珠江口某海上风电场附近船舶受台风影响，船舶在台风和海浪的作用下的漂移撞击到了风机基础桁架，造成了风机机舱桁架严重变形，部分海底电缆在台风期间受到船舶锚具的破坏，海底电缆需要较长的修复期，对工期以及经济损失造成了严重的影响。

２ 我国沿海地区台风状况2.1 沿海极端风速频率本文通过对我国东南沿海海上风电极端风速统计发现，54m/s的风速可以覆盖所有统计数据的96%，如表1所示。

2.2 年平均风速本文综合了我国沿海测风塔计算的年平均风速进行分析，发现福建中部沿岸风速最大，为8.0m/s~9.8 m/s；浙江中北部沿岸、广东部分沿岸、广西沿岸和海南部分沿岸风速为5 m/s~6 m/s；其余地区为6.0 m/s~7.9 m/s。

第 39 卷第 5 期2023 年10 月结构工程师Structural Engineers Vol. 39 ， No. 5Oct. 2023海上风机规范风浪荷载计算方法对比分析李公豪1，2袁周驰1，2，*梁发云1，2（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092； 2.同济大学土木工程学院，上海 200092）摘要相比陆上风机，海上风机承受的环境荷载要更加复杂，合理地评估环境荷载对海上风机的设计与安全运行至关重要。

国内外海上风机规范关于风浪荷载计算的思路大致相同，但在计算参数选取等方面有所不同，可能会使得风浪荷载的计算结果存在差异，有必要针对风机规范的风浪荷载计算方法开展对比分析，探究不同方法对风浪荷载计算的影响。

选取最新的规范，包括中国船级社CCS规范、挪威船级社DNV GL规范及国际电工委员会的IEC规范，对比了三者的风荷载和波浪荷载计算差异。

结合典型算例开展了对比分析，计算结果表明，相较于DNV GL规范，根据CCS与IEC规范得出的风荷载值更大。

并且对风湍流的考虑更保守；对于粗糙构件，DNV GL规范的波浪荷载峰值比CCS大了4%~14%。

根据上述分析结果，针对风浪荷载计算方法的选择和参数选取提出了一些建议，可供海上风机设计时参考。

关键词海上风机，风荷载，波浪荷载，风机规范，对比分析Comparison and Analysis of Wind and Wave Load Calculation Methods in Offshore Wind Turbine SpecificationsLI　Gonghao1，2YUAN　Zhouchi1，2，*LIANG　Fayun1，2（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University， Shanghai 200092， China； 2.College of Civil Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China）Abstract Offshore wind turbines bear more complex environmental loads than onshore wind turbines. It is essential for the design and safety operation of offshore wind turbines to reasonably assessment environmental loads. The method of wind and wave load calculation in offshore wind turbine specifications are roughly same，but there are differences in the selection of calculation parameters， which may make the calculation results of wind and wave load different. It is necessary to carry out comparative analysis on the calculation methods of wind and wave load in wind turbine specifications to explore the influence of different methods on the calculation of wind and wave load. This paper selects the latest specifications， including CCS specification，DNV GL specification and IEC specification to compare the differences of wind load and wave load calculation. Combined with typical examples， the comparative analysis is carried out. The results show that the maximum wind load of CCS and IEC is larger than that of DNV GL， and the consideration of wind turbulence is more conservative. For rough components， the peak wave load of DNV GL specification is about 4 %~14 % larger than that of CCS. According to the above analysis results， some suggestions are put forward for the selection of wind and wave load calculation methods and parameter selection of offshore wind turbines， which can be used for reference in the design of offshore wind turbines.Keywords offshore wind turbine， wind load， wave load， wind turbine specification， comparative analysis收稿日期：2022-10-25基金项目：国家自然科学基金面上项目（52178346）作者简介：李公豪，男，硕士研究生，研究方向为海上风电基础。

基于双向流固耦合的海上风力发电塔架风致响应特性分析随着全球环保意识的不断提高和能源结构的逐渐优化，风力发电逐渐成为了新能源领域中的一个重要组成部分。

海上风力发电具有风能资源充足、发电效率高以及对环境污染低等优点，正逐渐被人们所重视。

然而，在海上建立风力发电塔架会面临着应力复杂、弹塑性结构特性明显等困难。

本文旨在基于双向流固耦合对海上风力发电塔架的风致响应特性进行研究。

1. 双向流固耦合概述双向流固耦合是指空气与结构之间发生相互作用，在此过程中，气体不断地与结构表面发生接触或离开，同时结构也对空气产生反作用力。

风能是土地和海洋上进行风能开发的基础资源。

在海上风力发电中，架设在水面上的风力发电塔架需要对风场所对应的风压和波浪荷载进行耦合计算。

2. 海上风力发电塔架结构海上风力发电塔架结构主要由桥架、柱子、桅杆、连接处及深基础等组成。

桥架连接塔身和基础，在塔身和基础间起到一个水平承载体系的作用；柱子起到一个立体支撑的作用；桅杆则承担着塔筒的重量和风荷载等荷载分担工作。

连接处则不仅为各基础构件之间的相互连接提供联系，同时也可起到刚性补强的作用。

深基础主要承担着浮力提供不足的部分，并将塔筒的荷载传送到更深的海床土层中。

3. 风致响应特性分析（1）风荷载风荷载是海上风力发电塔架结构中的主要荷载之一。

在气流与塔身相互作用的过程中，风流层内的空气具有强烈的涡旋运动，产生了一系列大小形状不同的涡旋，涡旋进一步导致了气体的剪切和压缩等几何变化。

由于在海上风力发电中，气流运动状态具有一定的随机性，因此风荷载的参数随机性较强。

（2）液体荷载海水波浪荷载是海上风力发电塔架结构中的另一个重要荷载。

海水波浪荷载主要表现为环绕在塔身周围的波浪荷载和塔身底部埋入海床中的波浪荷载。

波浪荷载的不确定性较大，波浪荷载的高度、波长、周期以及入射角等参数难以测量。

（3）动力响应塔筒受到风荷载和波浪荷载时，将产生一系列动力响应，包括位移、速度、加速度等。

收稿日期:2007-06-20.基金项目:国家863计划资助项目(2006AA5Z429).作者简介:王湘明(1963-),男,辽宁沈阳人,副教授,硕士,主要从事风力发电技术等方面的研究.文章编号:1000-1646(2008)01-0042-04海上风力发电机组塔架海波载荷的分析王湘明,陈　亮,邓　英,王婀娜(沈阳工业大学风能技术研究所,沈阳110023)摘　要:由于海上风力发电机组的外界载荷条件比陆地上的风力发电机组更加复杂,因此在机组设计中要考虑到海上风机载荷条件.在研究海波性能和运动规律的基础上,给出了海水中的塔架载荷的计算公式;针对海上风力发电机组的结构特点,将研究的海波载荷计算方法用于风机的塔架载荷计算,以110MW 风力发电机组为例,对塔架所承受的海波载荷和风载荷进行了计算,经过对比分析可知,风载荷大于海波载荷并为同一数量级的载荷,因此,在设计中更应注意这两种载荷的耦合作用.关　键　词:海上风力发电机组;海波载荷;风轮载荷;海波性能;运动规律中图分类号:T K 81 文献标志码:AAnalysis on w ave loads of off shore wind turbineWAN G Xiang 2ming ,CHEN Liang ,DEN G Y ing ,WAN G E 2nuo(Wind Energy Institute of Technology ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110023,China )Abstract :The load condition of offshore wind turbine is more complicated than that on land ,and must be considered in design.In view of the wave feature and its moving rule ,the formulas of tower loads on offshore wind turbines were presented.Based on the structure feature of offshore wind turbines ,the computation method of the wave loads was applied to calculate the tower loads.The wave loads and wind loads of 110MW wind turbine on tower were obtained.By means of analysis and contrast ,it is concluded that wind loads are heavier than wave loads ,but both are in same order.Therefore ,the coupling action between two loads should be paid a more attention in design.K ey w ords :offshore wind turbine ;wave loads ;wind loads ;wave feature ;moving rule1　海上风力发电机组载荷计算通常海上风力发电机组的外界载荷条件比陆地上的风力发电机组更加复杂,其原因是除了受到通常的风载荷以外,更主要的是受到海波和海浪的影响,而海上风机主要是受风轮载荷的影响,此外还受到海浪和海波的影响,这样海水下面塔架的外界载荷就变得比较复杂.因此在机组设计中,除了要考虑陆上风机的风作用下的21种载荷工况之外,还要考虑到42种海上风机载荷条件[1].如果风机装在渤海湾的某一浅海滩上,如图1所示,设海平面为起始位置0,则塔架在海平面以下的部分为0到(-h ),在海面以上部分为0到h 0.塔架总载荷包括风轮载荷、风载载荷和海波载荷.F wind 表示风轮载荷,F h 0表示风载载荷,F h 表示海波载荷.以风机塔架计算为例,风轮载荷为F wind =12C t ρair v 2s A ・B ・S (1)式中:C t ———扭矩系数;ρair ———空气密度;v s ———风速;A ———风轮扫掠面积;B ———叶片的支数;S ———安全系数. 第30卷第1期2008年2月沈　阳　工　业　大　学　学　报Journal of Shenyang University of T echnologyVol 130No 11Feb 12008图1　海上风力发电机组结构图Fig 11　Structure of offshore wind turbine塔架的风载载荷为F ho =12ρair Aw v 2tw (h 0)　(2)式中:A w ———风吹到塔架的投影面积;v tw (h )———海平面上高度为h 的平均风速.则塔架总风载载荷为F w ind +F ho ,用blade 软件对风机25m 风速时功率运行工况进行模拟得到塔架的总风载荷,如图2所示.图2　发电时塔架水平方向风载荷图Fig 12　Wind load of tow er in horizontaldirection under generating根据文献[1],海波载荷为F h =(C m -1)ρπD 24L v t +ρπD 24L v D +12C dρDL v t |v t |(3)式中:F h ———作用在直径为D ,长度为L 的截断面上的正常作用力;ρ———海水密度;C m ———惯性系数;C d ———阻力系数.则塔架所受的最大弯曲应力δ=F wind (h 0+h )+F h 0h 02+h +F hh2π(D 4-D 41)32D(4)式中:D ———塔架外径;D 1———塔架内径.塔架的风载荷计算直接参考机械设计手册[4],海流的载荷计算直接与海波条件相关,计算比较复杂,可按参考文献[2]的方法进行计算.2　海波载荷的计算211　海波载荷的计算公式在时间t 时海波中点(x ,y ,z )处的波粒子速度和加速度矢量分别用v D 和 v D 表示.相同地点的总的海流速度矢量用v c 表示,塔架结构本身的速度和加速度分别用v s 和 v s 表示.则海波相对于塔架结构流动的速度v t 和加速度 v t 分别为v t =v D +v c -v sv t = v D + v s 在塔架受海波载荷的研究中,如果塔架的衍射参数D/λ的值小于012(D 为塔架的直径,λ为海波的波长),塔架在水平方向上实际的海波载荷可用Morison 方程式(3)求得.要计算塔架作用力,可以把塔架近似为相等高度的10个子圆柱体.使用Morison 相对运动方程可计算子圆柱体轴上的作用力.把各个参数代入方程(3)就可以计算出塔架的海波载荷.阻力系数和惯性系数可以参考海上风力发电机组相关文献,也可通过海波实验确定,同时,还要考虑海波的结构动力的总衰减,总的衰减包括波辐射衰减、阻力衰减和结构衰减.212　计算公式系数的确定在方程(3)中,阻力系数C d 和惯性系数C m是未知参数,需要得到海波粒子的速度和加速度的测量值.在参考文献[3-5]中采用很多方法给出了不同C d 和C m 的数值,本文按期望的方差确定系数的准确值[6].在参考文献[3]中给出了确定阻力系数和惯性系数的两种方法.第一种方法是当流体的速度和加速度为零时解出莫里森方程.当速度为零时可以确定惯性系数C m ,当加速度为零时可以确定阻力系数C d .这种方法的缺点是只用到了少量的测量数据,并且34第1期王湘明,等:海上风力发电机组塔架海波载荷的分析 对相移误差比较敏感[4];第二种方法是基于最小二乘法,这样可以使压力的测量值和计算值的平方差ε2最小.为了消除计算误差,本文要用近似的雷诺数将计算值和测量值的数据进行分组,从而确定C m 和C d 的值.213　典型的系数值根据文献[4],阻力系数和惯性系数取值见表1.表1中的雷诺数为R n =v a Du　(5)式中:v a ———水流速度的幅值,m/s ;u ———粘性系数,m 2/s .表1中的KC 为K eulegan Carpenter 数KC =v a TD(6)式中,T 为震荡周期.表1　系数值T ab 11　Coeff icient valueKCR n <105C dC m R n >105C d C m≤10112112210115≥10016016210115214　海波速度的计算海波包括深水海波和过渡海波,因此研究海波速度也应该从这两方面考虑.对于深水波周期T 应该满足条件d/(g T 2)>018;对于过渡海波周期T 应该满足条件01002<d/(g T 2)<0108.其中d 为水深,g 为重力加速度.起源波的参数包括波粒子的速度和加速度,在这里用线性波理论来定义这些参数[7].21411　深水区的波粒子速度首先建立一个x 2y 2z 右手坐标系统,用x 2y 座标轴所在的平面表示不受干扰的海平面,z 轴垂直向上,那么参考速度可以表示为v R =015H D ・ωD ・exp {i (ωD t -K D ξ)}　(7)式中:ωD =2π/T D ,K D =ω2/g ,ξ=x ・cos μ+y ・sin μ,i =-1;ξ轴———海波沿地平线传播的方向;μ———x 轴和ξ轴之间的夹角.在海平面下坐标为(x ,y ,z )点的合成速度矢量v D 为v D =(v D x ,v D y ,v D z )=(i cos μ,i sin μ,-1)・v R ・exp {K D ・z}这样可以用相位纠正的方法来计算v D x/y/z (x/y/z指x 轴,y 轴或z 轴的方向),也就是实部和虚部的相移为T D /4时,实部在t =T/4时达到波峰.在一个海波周期中最大的速度幅度值为v D x/y/z max=[Re (v D x/y/z )]2+[Im (v D x/y/z )]2(8)21412　过渡海波的波粒子速度用参考速度v R 来定义过渡海波的参考速度为v Rs =v R (K Ds )/sin h (K Ds ・d )　(9)式中,K Ds 为分布方程得解,分布方程为K Ds ・|tanh {K Ds ・d}|=ω2/g (10) 因此,过渡海波在海面下的坐标为(x ,y ,z ),点的速度矢量为v Ds =(v Ds x ,v Ds y ,v Ds z )=(i cos h ξ,cos μ,i cos h ξ,sin μ,-sin ξ)・v Rs式中,ξ=K Ds ・(z +d )最大值为v Ds x/y/z m ax=[R e (v Ds x/y/z )]2+[Im (v Ds x/y/z )]2(11)21413　海波粒子的加速度深水区的波粒子加速度用a D 表示,过渡区波粒子的加速度用a Ds 表示,则a D =i ωD ・v D ,a Ds =i ωD ・v Ds (12)那么加速度的最大值a D x/y/z max =|ωD |・v D x/y/z max a Ds x/y/z max=|ωD |・v Ds x/y/z max(13)3　海波载荷计算举例下面以渤海湾实际数据为例来计算塔架单位长度的海波载荷.取T =9s ,D =8m ,v a =114m/s ,ρ=11022×103kg/m 3,C d =112,C m =210.将这些数据代入公式(3)中,用matlab 计算可得结果如图3所示.图3　塔架水平方向的海波载荷Fig 13　W ave load of tow er in horizontal direction由此看出塔架的海波载荷为周期性变化的载荷.以110MW 风力发电机组为例,取塔架根部外径为412m ,内径为41156m ,塔架海平面以上高44 沈　阳　工　业　大　学　学　报第30卷度为70m,海平面以下高度为10m,则得出塔架的最大应力为3217MPa.塔架海面上的风轮的载荷计算如图2所示,最大为21215kN.海面下的海波载荷如图3所示,最大为100kN.因此,海波载荷加上风的载荷等于塔架的总载荷.从计算结果可知,海波载荷对塔架的载荷影响很大,设计时还应特殊考虑海波极端工况的塔架载荷.4　结　论1)对海浪和海波的运动规律进行了描述,给出了海波载荷的计算公式和计算结果,同时,也给出了塔架风载荷的计算公式和计算结果.2)假设110MW风机装在渤海湾近海的海滩上,按照matlab软件计算结果(见图2),塔架在海平面以下的海波载荷为100kN,且为周期性载荷,当海流速度比较大时海波载荷至少为正常情况时的2倍.同样,根据blade软件计算塔架的风载荷(见图3)为塔架所受阻力,正常发电时的海面以上塔架载荷为120kN,发生最大风速扰动时至少也为2倍以上.所以,在设计时,应重点考虑风流和海流的极端载荷工况.3)采用以上的计算公式,对110MW风机为例计算了海波载荷和风载荷,经过对比分析可知,风载荷与海波载荷是同一数量级的载荷.它们之间的耦合作用较大,将会影响机组的稳定性运行.参考文献(R eference):[1]全国风力机械标准化技术委员会.风力机械标准汇编[M].北京:中国标准出版社,2006.(Wind Power Machine Standard Institute.Wind power machine criterion assembly[M].Beijing:Standard Press of China,2006.)[2]Peeringa J M.Wave loads on offshore wind turbines[J].E leclronic C ommunication Network,2004(4):7-10.[3]Dean R G,Dalrympl R A.Water wave mechanics forengineers and scientists[M].India:World Scientific Publishing Co Ltd,1991.[4]Journée.O ffshore hydromechanics[D].Delft:Delft Universi2ty of T echnology,2001.[5]Sarpkaya T,Isaacson I.Mechanics of wave forces onoffshore structures[J].Electronic Communication Net2 work,2004(4):17-19.[6]Grundlehner G J.Systematic model tests on a harsh en2vironment jack2in elevated conditions[C]//Procee2 dings of5th International Conference on Jack2up Plat2 forms.City University,London,1995.[7]Frost W.Regulations for the certification of offshorewind Energy conversion systems[J].Wind Engineer2 ing,1994(1):11-15.[8]徐灏,邱宣怀,蔡春源,等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1992.(XU Hao,Q IU Xuan2huai,CAI Chun2yuan,et al.Ma2 chine design manual[M].Beijing:China Machine Press,1992.)(责任编辑:邓美艳　英文审校:杨俊友)(上接第23页)[5]Bertotti G.Dynamic generalization of the scalar preisachmodel of hysteresis[J].IEEE Trans on Magnetics, 1992,28:2592-2601.[6]Mayergoyz I D.Vector preisach hysteresis models[J].Appl Phys,1988,63(8):2995-3000.[7]Nakata T,Takahashi N,K awase Y.Finite element ana2lysis of magnetic fields taking into account hysteresis characteristics[J].IEEE Trans on Magnetics,1985,21(5):1856-1858.[8]王小平.遗传算法———理论、应用与软件实现[M].西安:西安交通大学出版社,2002.(WAN G Xiao2ping.G enetic algorithms—theories,appli2 cation and software implementation[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press,2002.)[9]Kumada M.Development of a model4tesla permanentmagnet[C]//Proceedings of Particle Accelerator Con2 ference.Chicago,2001:3221-3223.(责任编辑:邓美艳　英文审校:杨俊友)54第1期王湘明,等:海上风力发电机组塔架海波载荷的分析 。

·54·近海风力机动力特性分析方法的研究风能是一种可再生能源，利用潜力非常大，未来将成为以火电占主导地位的能源结构的重要补 充。

据世界风能协会统计，截至 2009 年底，全球海上风力机装机容量已达到 1 956 MW ，2009 年新增装机容量为 454 MW ，增长量达到 30%[1]。

海上风电场总投资成本一般比陆地风电场总投资成本高出 2 倍左右[2]，但由于海上风力发电场建在离用电高峰区较近的地方， 能有效地减少风能的传输损耗，且具有海上风速高、单个风机装机容量大等优势，因此一直受到风电开发商的关注[3]。

在正常工作条件下， 随着塔架高度的不断增加， 作用在风机上的载荷的交变性和随机性也更为明显，因此风机的振动不可避免。

振动带来的结构疲劳会降低材料的强度，缩短整机的使用寿命。

因此，正确认识结构的自振特性，有效避开结构在外部激振力作用下可能产生的共振， 对于风机结构在复杂环境下正常运行的稳定性以及延长风机的使用寿命至关重要。

塔架振动特性的计算通常是将塔架简化为由多个集中质点组成的多自由度体系来考虑，计算误差较大。

近年来，有限元法已广泛应用于塔架结构的振动特性计算， 国内许多学者对塔架的动态特性做了研究， 也有了一些成 ψ= 1 1-ξ2（8）果[4]，[5]，但目前对风机整体结构进行动力分析的研究还很少。

本文应用风机正向设计专业软件S4WT 对风机结构进行振动特性分析， 计算得到风机结构振动的固有频率与振型， 为避免结构共振提供了参考[6]。

1 模态分析的基本理论 1.1 模态分析理论模态是机械结构的固有振动特性， 具有多自由度的振动系统的振动微分方程[7]可表示为Mx 咬+Cx 觶+Kx=F（1）式中：M 为系统的整体质量矩阵；C 为系统的整体阻尼矩阵；K 为系统的整体刚度矩阵；x 为有限元节点位移列阵；x觶为有限元节点速度列阵；x 咬为有限元节点加速度列阵；F 为有限元节点所作用的外力列阵。

海上风力发电整机的冲击荷载与结构响应研究摘要：海上风力发电作为可再生能源的重要组成部分，其风力发电整机的结构设计和工作负载分析至关重要。

本文通过对海上风力发电整机的冲击荷载与结构响应进行研究，旨在为海上风力发电的安全性和可靠性提供重要参考。

引言：随着全球对可再生能源的需求不断增加，海上风力发电作为一种具有巨大潜力的清洁能源正在受到广泛关注。

然而，海上环境的复杂性和恶劣性给海上风力发电整机的结构设计和工作负载分析带来了巨大挑战。

在海上风力发电整机的研究中，冲击荷载与结构响应是关键问题之一。

因此，本文将重点研究海上风力发电整机的冲击荷载与结构响应，以期为海上风力发电的发展提供指导和支持。

一、海上风力发电整机的冲击荷载1. 海上环境对风力发电整机的冲击荷载影响海上环境包括风速、波浪和海流等因素，这些因素对风力发电整机的冲击荷载产生重要影响。

本章节将详细讨论各种海上环境因素对冲击荷载的影响机制。

2. 冲击荷载的计算方法为了准确评估海上风力发电整机的冲击荷载，需要合理的计算方法。

本章节将综述常用的计算方法，包括数值模拟、实验测试和经验公式等，以及其优缺点。

二、海上风力发电整机的结构响应1. 结构响应的分析方法结构响应是评估海上风力发电整机工作性能与结构安全性的重要指标。

本章节将对结构响应的分析方法进行综述，包括有限元方法、模态分析和动力响应分析等。

2. 结构响应的影响因素海上风力发电整机的结构响应受多种因素的影响，如风速、波浪、结构刚度和阻尼等。

本章节将探讨这些因素对结构响应的影响机制，并给出相应的分析方法。

三、海上风力发电整机的强度评估与优化设计1. 强度评估方法为了确保海上风力发电整机的安全性，需要对其强度进行评估。

本章节将介绍常用的强度评估方法，包括静力强度评估、疲劳强度评估和动力强度评估等。

2. 优化设计方法为了提高海上风力发电整机的工作效率和结构安全性，需要进行优化设计。

本章节将讨论常用的优化设计方法，包括形状优化、材料优化和结构拓扑优化等。

近海风机塔架风浪荷载及其响应分析陈为飞;陈水福【摘要】研究风暴潮环境下近海风机塔架所承受的风、浪、海流动力荷载的数值模拟与计算,探讨在这些动力荷载作用下风机塔架的位移及基底内力响应的变化规律.联合运用了快速傅立叶变换(FFT)方法和谐波叠加法进行脉动风的模拟,再由Morison方程计算浪和流荷载.算例分析表明,在风暴潮环境下,风机塔架的塔底水平力与倾覆力矩较大,通过调整角度降低叶片的迎风面积,可在一定程度上减小叶片上的风荷载,降低塔底最大主应力;在风荷载和浪流荷载的作用中,塔底弯矩主要由前者引起,而后者对塔底水平力的贡献较大.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2010(032)003【总页数】3页(P44-46)【关键词】风机;风荷载;波浪荷载;风暴潮;动力响应【作者】陈为飞;陈水福【作者单位】浙江大学建筑工程学院结构工程研究所,杭州,310058;浙江大学建筑工程学院结构工程研究所,杭州,310058【正文语种】中文【中图分类】TU311.3我国近海风能资源十分丰富,据测算其储量约达7.5亿kW[1],为陆上储量的3倍。

近海风力发电具有风力持久稳定、风能产量更高、受环境影响小等特点,已成为我国风电发展的新趋势。

目前我国已建成上海东海大桥海上风电场一期工程,正在或即将建设的项目还有很多[2]。

尽管近海风电场具有诸多优势,但是与陆上风电场相比,近海风电场所受的极端环境荷载更加恶劣和复杂,其中最为典型的极端荷载就是风暴潮荷载。

当风暴潮恰与天文大潮相遇时,其破坏力将更大。

因此,研究风暴潮等极端环境下近海风机承重构架的风、浪、潮流荷载及其响应,对保障风电机组的结构安全具有十分重大和现实的意义。

1 荷载计算风暴潮环境下作用在近海风机塔架上的荷载主要有风荷载、浪荷载和潮流荷载。

首先运用风速谱及相关的模拟方法进行脉动风风速时程的模拟,然后根据流体力学方法,计算作用于风机塔架上的风荷载时程;而波浪力的计算则采用波浪模拟法并结合Morison方程实现。

近海单桩风机在波浪地震联合作用下的动力特性分析荣维栋;李洪斌【摘要】针对典型单桩海上风机结构,利用ANSYS建立有限元模型,并根据实际情况选取3种地震加速度激励和两个水深的波浪荷载,对结构进行地震单独作用动力分析以及地震与波浪联合作用下动力分析.对比分析结果表明:地震发生时,在水位较低、波浪较小的情况下,结构主要以地震作用引起的响应为主,波浪引起的响应相对较小;若地震发生的同时伴有极端恶劣海况,则结构响应较大;波浪对结构下部响应有较大的影响;由于地震加速度峰值与波浪力峰值之间存在相位差,所以两者联合作用时,结构的响应也会有减小的情况发生.由此可见,地震发生时波浪的存在将对结构动力响应造成不同程度的影响,在进行海上风机设计时,有必要考虑地震与波浪联合作用的情况.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(029)001【总页数】6页(P27-32)【关键词】海上风机;地震激励;波浪荷载;动力响应【作者】荣维栋;李洪斌【作者单位】大连理工大学深海工程研究中心,辽宁大连116024;大连理工大学深海工程研究中心,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】P751世界上很多国家都非常重视对风能的利用.风能作为一种可再生的清洁能源，在使用过程中不会产生任何对环境和人类有害的物质，成为绿色能源的代表.风力发电是一种对风能进行有效开发利用的技术.为了提高对风资源的利用效率，实现规模化利用风能，海上风力发电成为未来风力发电的必然趋势.从全世界范围来看，欧洲等西方国家在风力发电领域发展较为迅速，同时也掌握着该领域较为成熟的核心技术，无论是海上风电场的建设还是风电机组的研发，都处于世界领先水平.有统计资料显示，截至2007年，全球已建成约30座海上风电场，基本分布在丹麦、英国等欧洲国家.中国的海上风电开发处于起步阶段，但由于近年来国家对该领域的重视，使得中国的风电产业发展迅猛，逐步在江苏如东、浙江岱山、河北黄骅以及上海等地建立了海上风电场，实现对近海丰富风能资源的利用［1］.海上风力发电机结构不同于普通陆地上使用的发电机，其工作环境更为恶劣.海上风机在工作过程中，经常受到波浪、流、冰等环境荷载的作用，同时，我国地处世界上两个最活跃的地震带，属于多地震国家，因此，在海上风机设计建造过程中，也要考虑地震这种极端环境荷载的影响.当地震发生时，海上风机同时还会受到波浪的作用，因而有必要研究海上风机在波浪和地震联合作用下的结构动力响应，为工程设计提供参考.尽管许多学者对该领域进行了有意义的研究，但由于海上风电属于较为新兴的产业，在这方面的研究并不很完善.文献［2］中针对风荷载和地震荷载联合作用，对海上风力发电机进行了结构动力响应研究;文献［3］中利用钢球减震装置对海上风机地震响应进行了试验研究;文献［4］中对65 kW风力发电机地震动分析结构进行了试验和数值研究;文献［5］中基于“桨叶-塔体-基础”一体化有限元模型，研究了风力发电高塔系统地震动力响应分析问题.以上研究均未涉及波浪与地震联合作用.文献［6］中虽然针对地震与波浪联合作用，对空间导管架式海洋平台结构的动力响应特性进行了研究，但由于海上风机与海洋平台在结构形式上的差别，其研究成果是否适用于海上风机结构，也有待验证.因此，文中针对海上风机结构在波浪和地震联合作用下的动力响应进行深入研究.1 海上风机模型建立文中采用由美国国家能源部可再生能源实验室2009年编写的《Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development》中的典型风机原型，并根据研究内容对其局部结构进行简化处理.该海上风力发电机的额定动率为5MW，相关结构参数如表 1［7］.由于文中研究近海单桩风机整体结构在外加激励下的动力响应，不涉及细部结构分析，因而将3个叶片简化为薄壁长方体结构，将轮毂简化为实心圆柱体，将机舱简化为实心长方体块，以此来模拟风机顶部的质量分布.由于文中并不研究桩土相互作用对结构响应的影响，因而基底采用刚性固定约束形式.利用有限元分析软件ANSYS建立风机整体结构简化模型(图1).表1 NREL 5 MW风机结构参数数据Table 1 Structure parameters of the NREL 5 MW wind turbine类目参数风机类型水平轴式叶片数目 3叶片动力传动系统高速多级变速叶轮直径/m 126轮毂直径/m 3轮毂高度/m 90切入速度/(m·s-1) 3额定速度/(m·s-1) 11.4切出速度/(m·s-1) 25叶轮质量/kg 110000机舱质量/kg 240000塔筒质量/kg 347460图1 海上风机有限元模型Fig.1 FEM model of the offshore wind turbine不考虑叶片、轮毂和机舱等上部结构具体形状，仅模拟质量分布，故采用SOLID45单元进行建模;塔筒变截面部分采用BEAM189单元进行模拟，高程87.6 m，底部外径6 m，壁厚0.035 m，顶部外径3.87m，壁厚0.025m，外径和壁厚自下而上均呈线性递减;塔筒水中的部分采用PIPE288单元进行模拟，高程 25m，外径 6 m，壁厚 0.035 m.PIPE288单元可以通过OCTYPE，OCDATA等系列命令来方便地定义波浪、流等海洋环境荷载［8］.对以上有限元模型进行模态分析可以得到结构的前2阶固有频率(表2).表2 结构固有频率Table 2 Structure natural frequency阶次固有频率/Hz 类型1 0.2544弯曲2 1.8982弯曲2 数值分析2.1 工况选取文中选取两种水深的工况，分别为低水位d=15 m，高水位d=25 m，其中对于低水位情况，施加1999年台湾省集集东西向地震波和天津医院南北向地震波;高水位情况，施加1999台湾省集集东西向地震波、天津医院南北向地震波和EL-Centro地震波.波浪荷载根据结构的固有频率及实际情况选取.中海况正弦波浪、中海况随机波浪、高海况正弦波浪、高海况随机波浪4种海况波浪要素见表3.其中，高海况波浪均为极端波浪荷载.荷载工况组合如表4所列.表3 各海况波浪要素Table 3 Parameters of different wave海况名称水深/m平均波高/m 平均周期/s中海况正弦波浪15 5.4 5.477中海况随机波浪 15 3.65.477高海况正弦波浪 25 9.6 11.502高海况随机波浪25 5.4 11.502表4 荷载工况组合Table 4 Load cases工况水位波浪荷载地震荷载1集集波2天津波3 EL-Centro波4 低水位中海况正弦波浪集集波5 低水位中海况随机波浪集集波6 低水位中海况正弦波浪天津波7 低水位中海况随机波浪天津波8 高水位高海况正弦波浪集集波9 高水位高海况随机波浪集集波10 高水位高海况正弦波浪天津波11 高水位高海况随机波浪天津波12 高水位高海况正弦波浪EL-Centro波13 高水位高海况随机波浪 EL-Centro波3种地震激励的加速度时程如图2～4，其中，集集东西向地震波的加速度峰值为1.5m·s-2;天津医院南北向地震波的加速度峰值为1.49 m·s-2;ELCentro地震波加速度峰值为0.8m·s-2.2.2 计算结果分析利用有限元分析软件ANSYS建立海上风机的有限元模型.对于波浪荷载，正弦波浪基于斯托克斯五阶波理论计算波浪力;随机波浪基于线性随机波理论通过有义波高、谱峰周期、Gamma值等参数的输入来计算波浪力.以上波浪力均使用ANSYS 软件自动计算并施加到结构体.对于地震激励，则采用加速度时程方式施加给结构. 图2 集集东西向地震波加速度时程Fig.2 Time history of CHICHI-WE earthquake acceleration图3 天津医院南北向地震波加速度时程Fig.3 Time history of Tianjin-NS earthquake acceleration图4 EL-Centro地震波加速度时程Fig.4 Time history of EL-Centro earthquake acceleration对于海上风力发电机而言，在外载荷作用下，结构的顶端位移、顶端加速度、基底应力、基底弯矩最能体现出其安全性能，因而，对以上4种计算结果进行对比分析.由于篇幅有限，工况较多，仅以工况1和工况4、工况1和工况8、工况1和工况5的对比给出时程曲线，其他工况的结构响应极值见表5.如表4所列，工况1为集集地震单独作用，工况4为集集地震与中海况正弦波浪联合作用，由图5可以发现，地震波浪联合作用较地震单独作用，结构的顶端位移、顶端加速度、基底应力和基底弯矩均有不同程度的增加.由于波浪的存在，波浪力对结构底部的作用更为明显，因而基底应力和基底弯矩的增加幅度要大于顶端位移和加速度.图5 工况1与工况4计算结果对比Fig.5 Comparison of dynamic response of case 1 and case 4如表4所列，工况8为台湾集集地震与高海况正弦波浪联合作用，由图6可以发现，集集地震波浪联合作用与地震单独作用相对比，结构顶端位移、顶端加速度、基底应力和基底弯矩均有较大程度的增加，这主要是由于水位升高，作用在结构上的波浪力增大，而且海况为极端海况，说明在极端海况下，波浪引起的结构响应是不容忽视的，在结构设计中要给予该种情况足够的重视.图6 工况1与工况8计算结果对比Fig.6 Comparison of dynamic response of case 1 and case 8如表4所列，工况1为集集地震单独作用，工况5为集集地震与中海况随机波浪联合作用，由图7可以发现，两工况的比较结果与图5类似，地震与随机波浪联合作用较地震单独作用，结构的顶端位移、顶端加速度、基底应力和基底弯矩均有不同程度的增加.由于随机波浪的存在，波浪力对结构底部的作用明显，因而基底应力和基底弯矩的增加幅度也较大.由图5，7可知，规则波浪和线性随机波浪与地震联合作用，对结构响应的影响效果是一致的.图7 工况1与工况5计算结果对比Fig.7 Comparison of dynamic response of case 1 and case 5为了验证文中数值计算结果的正确性，现以工况1的基底应力为例，将ANSYS软件数值计算结果与笔者在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室抗震分室进行的模型试验数据结果进行比较，如图8.可以看出，数值结果与试验数据吻合较好，误差范围在10%以内.模型试验结果将另撰他文，在此不再详述.图8 数值计算结果与模型试验结果对比Fig.8 Comparison of result between FEM and experiment表5给出了各工况下，结构响应的最值，并进行对比分析.由表5可知，天津波与正弦波浪或随机波浪联合作用较天津波单独作用，结构的4种响应均增加，其中基底应力和弯矩的增加幅度较大，主要由于波浪力对下部结构作用较为明显.在线性随机波理论的前提下，规则波和随机波与地震联合作用，对结构响应的影响效果是一致的.同时，EL-Centro地震与正弦波浪或随机波浪联合作用较地震单独作用时，顶端的结构响应出现减小的状况，这主要是由于波浪力峰值与地震加速度峰值存在相位差，两者作用下的响应相互抵消，导致结构响应不增反降，但由于波浪力对水中结构的作用，基底应力和弯矩的峰值有较大幅度增加.由此可见，不同地震输入、不同波浪要素下结构响应的增减情况是不同的.表5 各工况下结构响应极值Table 5 Structure peak response of different cases工况顶端位移/m最大值最小值顶端加速度/(m·s-2)最大值最小值基底应力/MPa最大值最小值基底弯矩/(MN·m)最大值最小值1 0.4953 -0.46202.4512 -2.0858 66.2 -64.8 64.8 -63.4 2 0.1076 -0.0562 1.6390 -2.1939 17.8 -15.4 17.5 -15.2 3 0.4764 -0.4935 1.6146 -1.5414 63.6 -67.5 62.3 -66.1 4 0.5219 -0.4816 2.5102 -2.0833 77.5 -77.5 81.5 -69.2 5 0.4848 -0.47002.5955 -2.0256 76.1 -68.3 65.2 -66.3 6 0.1339 -0.0606 1.6019 -2.2372 15.5 -36.1 21.4 -29.4 7 0.0900 -0.0989 1.5947 -2.0790 23.2 -18.9 26.1 -14.8 8 0.6803 -0.7315 2.4467 -1.9255 104.1 -121.2 104.0 -115.8 9 0.7177 -0.7085 2.6268 -2.4545 52.2 -51.1 95.2 -105.7 10 0.3929 -0.4386 2.1092 -2.3375 69.6 -87.4 70.1 -82.8 11 0.2389 -0.2329 1.6247 -1.9518 43.0 -49.6 43.4 -42.8 12 0.7553 -0.7920 2.2722 -2.1031 120.2 -122.5 119.5 -117.0 13 0.3382 -0.3581 1.5268 -1.3232 101.3 -99.9 55.4 -51.73 结论针对典型海上风机结构，利用ANSYS建立有限元模型，并根据结构固有特性和实际情况选取地震加速度激励和波浪荷载，进行了地震与波浪联合作用下结构动力响应分析.分析结果表明:对于海上风机这种高耸结构，在地震发生的同时，波浪荷载相对较小时，结构顶部响应主要由地震激励引起，波浪所引起的响应较小;但在恶劣海况下，波浪引起的结构响应较大，要充分重视;波浪的存在，对结构下部尤其是基底的响应影响较大;当地震和波浪联合作用时，由于二者的峰值之间存在相位差，因而也会出现结构响应减小的情况.因此，在进行海上风机设计时，有必要考虑地震与波浪联合作用的情况.参考文献(References)［1］倪云林，辛华龙，刘勇.我国海上风电的发展与技术现状分析［J］.能源工程，2009(4):21-25.Ni Yunlin，Xin Hualong，Liu Yong.Analysis on the development and present technology status of offshore wind power in China［J］.Energy Engineering，2009(4):21 -25.(in Chinese)［2］ Osamu KIYOMIYA，Tatsuomi RIKIJI Pieter HAJM.Dynamic response analysis of onshore wind energy power units during earthquakes and wind ［C］∥International Of fshore and Polar EngineeringConference.Kitakyushu Japan:International Society of Offshore and Polar Engineers，2002.［3］ Li Jie，Zhang Zili，Chen Jianbing.Experimental study on vibration control of offshore wind turbines using a ball vibration absorber［J］.Energy and Power Engineering，2012(4):153-157.［4］ Prowell I，Veletsos M，Elgamal A，et al.Experimental and numerical seismic response of a 65 kW wind turbine［J］.Journal of Earthquake Engineering，2009，13(8):1172-1190.［5］贺广零，周勇，李杰.风力发电高塔系统地震动力响应分析［J］.工程力学，2009，26(7):72-77.He Guangling，Zhou Yong，Li Jie.Seismic analysis of wind turbine system［J］.Engineering Mechanics，2009，26(7):72 -77.(in Chinese)［6］何晓宇，李宏男.地震与波浪联合作用下海洋平台动力特性分析［J］.海洋工程，2007，25(3):18-25.He Xiaoyu，Li Hongnan.Dynamic analysis of offshore platform under seismic action and wave action［J］.The Oceam Engineering，2007，25(3):18 -25.(in Chinese)［7］ Jonkman J，Butterfield S，Musial W，et al.Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development［R］.NREL/TP -500 - 38060.Goloen Colorado，USA:National Renewable Energy Laboratory，2009.［8］杨树耕，藤明清，孟昭瑛，等.有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用(续1)［J］.中国海洋平台，2000，15(5):40 -46.。