紀(jì)楊, 于東瑋,2, 劉晨陽(yáng), 蔡沛霖, 張大勇,3*

(1.大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 盤(pán)錦 124221; 2.大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部, 大連 116024;3.大連理工大學(xué)寧波研究院, 寧波 315000)

隨著國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展,風(fēng)電技術(shù)正快速的經(jīng)歷從千瓦到兆瓦、從陸地到海上的方向發(fā)展。海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)[1]既要承受自身結(jié)構(gòu)重量,還要額外承受可變載荷的作用。海上風(fēng)機(jī)作為一種柔性結(jié)構(gòu)[2],冰荷載和風(fēng)荷載是冰區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制荷載[3],根據(jù)渤海海域多年現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),海冰易引起柔性結(jié)構(gòu)冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)[4],出現(xiàn)頻率鎖定現(xiàn)象[5]。寒冷氣候地區(qū)因其具有局部高風(fēng)速點(diǎn)、資源開(kāi)發(fā)區(qū)域多等特點(diǎn),因此適用于寒冷氣候條件的風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究已成為可再生能源領(lǐng)域廣為重視的方向[6]。葉片覆冰后,風(fēng)力機(jī)整體結(jié)構(gòu)存在重心位置復(fù)雜、受力復(fù)雜等問(wèn)題。由于葉片表面覆冰后會(huì)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)造成額外振動(dòng)問(wèn)題,易對(duì)支撐結(jié)構(gòu)造成疲勞破壞,影響力學(xué)性能,分析載荷激勵(lì)下葉片的應(yīng)力響應(yīng),對(duì)研究風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和疲勞損傷有著重要的意義[7]。風(fēng)力機(jī)葉片覆冰后對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響已成為制約寒冷地區(qū)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。

風(fēng)機(jī)葉片覆冰可分為大氣結(jié)冰和海浪飛濺結(jié)冰兩種[8]。陸上風(fēng)電結(jié)構(gòu)會(huì)受到大氣結(jié)冰的影響,海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)會(huì)受到兩種結(jié)冰的影響。在現(xiàn)有葉片覆冰研究中,Hedde等[9]進(jìn)行了二維和三維的翼型覆冰數(shù)值模擬研究。Etemaddar等[10]和Homola等[11]探究了環(huán)境參數(shù)變化對(duì)覆冰形態(tài)的影響。Manatbayev 等[12]使用FENSAP-ICE模擬了風(fēng)機(jī)葉片在不同攻角下的覆冰形狀。曹廣州等[13]通過(guò)建立模型來(lái)模擬多種狀態(tài)下葉片表面上的覆冰增長(zhǎng)過(guò)程。Alsabagh等[14]研究表明積冰會(huì)對(duì)風(fēng)輪的固有頻率產(chǎn)生影響。葉片覆冰會(huì)增加葉片和塔式結(jié)構(gòu)的負(fù)載,造成高振幅振動(dòng)或共振,以及葉片之間的質(zhì)量不平衡[15]。胡良權(quán)等[16]針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰問(wèn)題,利用Fluent研究了不對(duì)稱(chēng)覆冰和對(duì)稱(chēng)覆冰對(duì)風(fēng)力機(jī)負(fù)荷的影響。安利強(qiáng)等[17]根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission,IEC)[18]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)覆冰工況的要求,研究葉片覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷的影響。Etemaddar等[10]對(duì)5 MW風(fēng)機(jī)結(jié)冰后葉根和塔基疲勞展開(kāi)研究。Hudecz等[19]通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果研究了覆冰對(duì)翼型的影響。董映龍等[20]通過(guò)建立測(cè)試平臺(tái),研究了不同覆冰狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性及其變化規(guī)律。但現(xiàn)有文獻(xiàn)僅考慮了葉片覆冰后質(zhì)量對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能的影響,缺少葉片覆冰后對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)影響的相關(guān)研究。

葉片覆冰會(huì)影響風(fēng)機(jī)葉片自重,由于質(zhì)量不平衡、氣動(dòng)不平衡等原因,使風(fēng)力機(jī)受到的激振力復(fù)雜多變[21],還會(huì)改變其結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性,從而對(duì)支撐結(jié)構(gòu)造成影響?，F(xiàn)以單樁式海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,首先,采用FENSAP-ICE軟件模擬風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰狀況。其次,分別對(duì)不同覆冰工況的結(jié)構(gòu)模態(tài)及振型進(jìn)行分析。最后,從冰載荷對(duì)支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)比不同覆冰情況,得出風(fēng)力機(jī)葉片覆冰后對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)的影響,為風(fēng)機(jī)葉片覆冰在抗冰性能分析時(shí)提供參考。

1 環(huán)境載荷理論與計(jì)算

1.1 葉片覆冰載荷理論

采用仿真方法模擬葉片結(jié)冰的3個(gè)過(guò)程如下。一是通過(guò)求解流體力學(xué)的基本方程組確定結(jié)構(gòu)的流場(chǎng);二是利用流場(chǎng)的結(jié)果求解水滴運(yùn)動(dòng)方程,確定結(jié)構(gòu)的水滴收集系數(shù);三是按照增長(zhǎng)模型確定收集水滴的結(jié)冰以及冰的增長(zhǎng)。

1.1.1 流場(chǎng)計(jì)算

以三大守恒定律為基礎(chǔ),利用偏微分方程對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行建模。由于空氣是黏性流體,故選用“Navier-Stokes”模型?；谀芰渴睾愣?在FENSAP-ICE軟件仿真計(jì)算中,通過(guò)“Full-PDE”對(duì)能量進(jìn)行求解。

目前FENSAP-ICE軟件中較為常見(jiàn)的幾種求解湍流模型有Spalart-Allmaras(S-A)模型[22]、Low Reynolds Numberk-ω(LRNk-ω)模型[23]、k-ωSST模型。湍流模型選擇k-ωSST模型,控制方程在近壁面及遠(yuǎn)壁面都有較高的精度。由于對(duì)于近壁面第一場(chǎng)網(wǎng)格的高度要求是無(wú)量綱壁面距離Y+=1,這就對(duì)于三維網(wǎng)格的劃分提出了更高的要求[24]。

1.1.2 液流計(jì)算

通過(guò)Navier-Stokes方程加上粒子(液滴或晶體)連續(xù)性和動(dòng)量方程構(gòu)成歐拉雙流體模型。方程中重要變量是作用在平均直徑粒子上的阻力。它與相對(duì)粒子速度,其阻力系數(shù)和液滴雷諾數(shù)Re成正比。控制方程描述了與當(dāng)前拉格朗日編碼相同的物理粒子傳輸現(xiàn)象。針對(duì)液流,需考慮粒子間的拖曳關(guān)聯(lián),這與粒子類(lèi)型與相關(guān)的阻力相關(guān)。其中液滴阻力模型有4種:Water-default模型、Water-Stokes law模型、Water-extended Reynolds模型、Snowflakes模型。

第一種Water-default模型阻力系數(shù)基于圍繞球形液滴的流動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性。

(1)

式(1)中:CD為模型阻力系數(shù);Red為球形液滴的雷諾數(shù)。

該阻力系數(shù)的有效范圍不受Re的限制,但是通常根據(jù)觀察經(jīng)驗(yàn)Re>250時(shí),液滴開(kāi)始變形。

第二種選擇基于“Water-Stokes law”定律,用于圍繞孤立球體的流動(dòng),僅對(duì)很小的Re<1有效。

(2)

第三種Water-extended Reynolds模型是默認(rèn)定律的擴(kuò)展版本。

ω=lgRed

(3)

式(3)中:ω為擴(kuò)展版本中的阻力系數(shù)。

第四個(gè)Snowflakes模型阻力系數(shù)相關(guān)性適用于扁球體,可用于計(jì)算雪花的收集效率。不考慮雪花、過(guò)冷大液滴等因素的影響。

1.2 冰載荷理論與計(jì)算

1.2.1 極值靜冰力模型

在寒區(qū),海冰作為海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的主要載荷,不同于其他載荷,海冰對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的影響將隨著海冰本身的破壞而結(jié)束。由于海冰領(lǐng)域各種復(fù)雜因素的影響,冰力的理論模型不能很好地反映實(shí)際冰力,不同冰載荷模型的計(jì)算結(jié)果往往相差很大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的靜冰力極值的研究主要有3種[25],分別是理論公式、經(jīng)驗(yàn)公式、半理論和半經(jīng)驗(yàn)公式。

目前極值靜冰力公式中,純理論公式有Croasdale公式,經(jīng)驗(yàn)公式為Schwarz公式,半理論半經(jīng)驗(yàn)公式有蘇聯(lián)規(guī)范SNIP公式,以及ISO 19906規(guī)范公式。

海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)是一種高層柔性結(jié)構(gòu),在水線處的尺寸相對(duì)較小,在海冰作用下不會(huì)產(chǎn)生碎冰堆積,因此海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)是一種狹窄的垂直柔性結(jié)構(gòu)[26]。

因此,對(duì)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)的極值靜冰力的計(jì)算不宜采用低值靜冰力公式,API-RP-2N規(guī)范公式對(duì)折減系數(shù)進(jìn)行分析,得出針對(duì)渤海柔性直立結(jié)構(gòu)在抗冰設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采用更為保守的極值冰力計(jì)算公式,而ISO 19906規(guī)范公式對(duì)于該類(lèi)窄結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果偏大,并不適用。

綜上,在項(xiàng)目中,極值靜冰力按API-RP-2N規(guī)范給出的公式計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與其他公式相比較為保守,公式為

F=kDhσc

(4)

式(4)中:F為總冰力,kN;k為折減系數(shù),建議取值0.7;D為結(jié)構(gòu)直徑,cm;h為冰厚,cm;σc為冰的單軸壓縮強(qiáng)度,kN/cm2。

1.2.2 動(dòng)冰力模型

圓柱腿海洋平臺(tái)在冰載荷激勵(lì)下的3種響應(yīng)模式[27-28],分別發(fā)生在不同的冰速工況下,而導(dǎo)致冰致自激振動(dòng)的冰速略高于靜冰力工況的冰速,但低于產(chǎn)生隨機(jī)動(dòng)冰力的冰速。渤海的實(shí)際觀測(cè)表明,冰速主要取決于海流速度,而海流速度主要受到潮汐的驅(qū)動(dòng)。導(dǎo)致冰致自激振動(dòng)的冰速,一般發(fā)生在接近平潮位即冰速較慢時(shí),這一情況同樣適用于風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

為了能夠分析穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)冰對(duì)直立結(jié)構(gòu)的冰力時(shí)程,根據(jù)渤海實(shí)測(cè)的自激振動(dòng)冰力時(shí)程,表征產(chǎn)生自激振動(dòng)的冰力隨時(shí)間的變化特征。簡(jiǎn)化的三角波時(shí)域函數(shù)(ISO規(guī)范)如圖1所示。

Fmax為冰力最大值;ΔF=qFmax,取0.4;Fmean為平均冰力值;T為冰力周期,取結(jié)構(gòu)固有周期;α為加載階段系數(shù),取0.8圖1 簡(jiǎn)化的穩(wěn)態(tài)冰力模型Fig.1 Simplified steady-state ice force model

通過(guò)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)構(gòu)在冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí),結(jié)構(gòu)的響應(yīng)最劇烈,因此分析結(jié)構(gòu)冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下的響應(yīng),可以校核結(jié)構(gòu)在動(dòng)冰力載荷下的最大響應(yīng)情況。

2 基于數(shù)值模擬的載荷分析

2.1 葉片覆冰質(zhì)量分布

選擇某單樁式海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,分析風(fēng)機(jī)葉片在不同覆冰工況下,支撐結(jié)構(gòu)在動(dòng)冰載荷作用下的響應(yīng)情況,確定葉片覆冰是否對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)有影響。選用代表性風(fēng)力機(jī)葉片模型NACA0012翼型,采用C-H型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,為保證數(shù)值模擬的精確度,對(duì)葉片周邊網(wǎng)格進(jìn)行加密,具體計(jì)算模型如圖2所示。葉片表面覆冰過(guò)程采用FENSAP-ICE軟件進(jìn)行結(jié)冰數(shù)值模擬計(jì)算,覆冰模型選用Shallow-Water結(jié)冰模型。選取SSTk-ω湍流模型來(lái)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片表面壁面外流場(chǎng)計(jì)算。數(shù)值模擬計(jì)算中的翼型模型弦長(zhǎng)為0.533 4 m。

圖2 翼型數(shù)值計(jì)算模型及邊界層網(wǎng)格Fig.2 Numerical model of airfoil and boundary layer mesh

以NACA0012翼型為研究對(duì)象,探究了在不同環(huán)境因素下的葉片表面覆冰質(zhì)量。不同環(huán)境溫度葉片表面覆冰質(zhì)量曲線及不同來(lái)流速度下葉片表面覆冰質(zhì)量曲線如圖3所示。

圖3 不同環(huán)境條件下的葉片表面覆冰質(zhì)量曲線Fig.3 Ice quality curves of leaf surface under different environmental conditions

在其他環(huán)境因素不變的情況下,環(huán)境溫度從-5 ℃降低至-30 ℃的過(guò)程中,葉片表面的覆冰質(zhì)量隨著溫度降低而不斷增加,平均增長(zhǎng)幅度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì);保持其他環(huán)境因素不變,來(lái)流速度從60 m/s增加至90 m/s的過(guò)程中,葉片表面覆冰質(zhì)量也呈線性增加。

葉片覆冰后會(huì)對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響,導(dǎo)致關(guān)鍵部位極限載荷及疲勞載荷增加。葉片表面覆冰后會(huì)改變?nèi)~片質(zhì)量分布,導(dǎo)致葉片質(zhì)心位置發(fā)生改變。其中,力學(xué)性能中的結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)心位置有關(guān),故將葉片表面增加的覆冰量簡(jiǎn)化成附著在葉片模型上的質(zhì)量點(diǎn),進(jìn)而通過(guò)改變?nèi)~片質(zhì)心位置來(lái)模擬葉片覆冰后的不同工況。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

采用ANSYS軟件對(duì)某單樁式海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模,利用shell 181單元模擬風(fēng)機(jī)的塔筒和基礎(chǔ)。將風(fēng)機(jī)的機(jī)艙和風(fēng)輪簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)使用mass 21單元進(jìn)行模擬。采用六倍樁徑法并根據(jù)基頻與泥面處剛度調(diào)整建立風(fēng)機(jī)泥面以下基礎(chǔ)。材料采用Q345鋼材,彈性模量E為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,阻尼比為0.02。建立塔頂三維坐標(biāo)系,其中X方向?yàn)閬?lái)風(fēng)方向,Z方向垂直向上,Y方向由右手法則確定。其中風(fēng)輪的重心位置為(-6.135,0,2.963),機(jī)艙的重心位置為(0.092,0.052,2.186)。

分別考慮未覆冰,1號(hào)葉片覆冰,2號(hào)、3號(hào)葉片覆冰,三葉片同時(shí)覆冰4種不同覆冰工況。在模擬過(guò)程中,將葉片表面覆冰量簡(jiǎn)化成質(zhì)量模塊附在葉片模型上,分析不同覆冰模式對(duì)支撐結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響。某單樁式海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的模型如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)單樁模型Fig.4 Fan single pile model

通過(guò)ANSYS軟件模擬得出某單樁式海上風(fēng)機(jī)葉片表面覆冰后的前四階頻率模態(tài)圖,其中未覆冰情況下的前四階模態(tài)圖如圖5所示。

MX為位移最大值;MN為位移最小值圖5 未覆冰情況下的前四階模態(tài)圖Fig.5 The first four modes without ice

單樁式海上風(fēng)機(jī)葉片表面不同覆冰情況的前4階頻率如表1所示。

表1 3種覆冰工況與未覆冰工況下的基頻對(duì)比Table 1 The frequency parameters of the fourth order in front of the fan under different ice conditions

對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,得到各階響應(yīng)特性,由表1所示可以發(fā)現(xiàn),隨著葉片覆冰質(zhì)量的增加,海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)頻率逐漸減小。這是由于葉片結(jié)冰導(dǎo)致海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增加,但結(jié)構(gòu)的剛度沒(méi)有改變,所以整體結(jié)構(gòu)的頻率降低。1號(hào)葉片覆冰時(shí)支撐結(jié)構(gòu)一階頻率下降了0.87%,2、3號(hào)葉片覆冰時(shí)支撐結(jié)構(gòu)一階頻率下降了0.23%,三葉片同時(shí)覆冰時(shí)支撐結(jié)構(gòu)一階頻率下降了0.48%。當(dāng)風(fēng)輪質(zhì)心位置不變時(shí),覆冰葉片越多自振頻率下降越多,但1號(hào)葉片覆冰使風(fēng)輪質(zhì)心位置向上偏移,2、3號(hào)葉片覆冰使風(fēng)輪質(zhì)心位置向下偏移,由此可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪質(zhì)心位置向上偏移會(huì)使結(jié)構(gòu)自振頻率降低,風(fēng)輪質(zhì)心位置向下偏移會(huì)使結(jié)構(gòu)自振頻率增大。

2.3 動(dòng)冰載荷下支撐結(jié)構(gòu)冰振響應(yīng)分析

冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)是動(dòng)冰載荷引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)最強(qiáng)烈的情況,冰荷載對(duì)風(fēng)電結(jié)構(gòu)的影響成為了冰區(qū)風(fēng)電場(chǎng)建造的關(guān)鍵[29]。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí),結(jié)構(gòu)的振幅和加速響應(yīng)都較大。選取海冰壓縮強(qiáng)度為2.0 MPa,厚度為29.9 cm,海冰局部擠壓系數(shù)為0.4的工況進(jìn)行分析,利用直立結(jié)構(gòu)的三角函數(shù)冰力模型,計(jì)算了不同覆冰工況的冰力時(shí)程,通過(guò)ANSYS瞬態(tài)分析方法分析不同覆冰工況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)變化。以2號(hào)、3號(hào)葉片同時(shí)覆冰的情況下為例,在風(fēng)載荷單獨(dú)作用下,塔筒頂處和基礎(chǔ)頂處的位移、加速度、應(yīng)力如圖6所示。

圖6 穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下風(fēng)機(jī)塔筒頂處動(dòng)力響應(yīng)曲線Fig.6 Dynamic response curve at the top of the fan tower under steady-state vibration

分析發(fā)現(xiàn),海冰能引起不同覆冰工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。塔筒頂端的加速度響應(yīng)在未覆冰工況下達(dá)到最大795 mm/s2,其他工況下相對(duì)減小。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)風(fēng)機(jī)的上部結(jié)構(gòu)安全有巨大影響。冰振下風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力在基礎(chǔ)頂端,未覆冰工況下應(yīng)力幅值最大,可達(dá)到52.8 MPa,其他覆冰工況下應(yīng)力幅值都相對(duì)減小。長(zhǎng)時(shí)間的冰激振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,需要開(kāi)展冰振結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及壽命估計(jì)。

由表2分析可知,當(dāng)1號(hào)葉片覆冰時(shí),風(fēng)輪質(zhì)心向上偏移,從而使塔筒頂處和基礎(chǔ)頂處的位移、加速度的變化幅度變大;當(dāng)2、3號(hào)葉片覆冰時(shí),風(fēng)輪質(zhì)心向下偏移,從而使塔筒頂處和基礎(chǔ)頂處的位移、加速度的變化幅度減小。與此同時(shí),葉片覆冰后塔筒頂端的減小幅度均大于基礎(chǔ)頂端。

表2 支撐結(jié)構(gòu)在冰載荷下振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比Table 2 Comparison of vibration response of support structures under ice load

3 結(jié)論

(1)對(duì)葉片的覆冰情況進(jìn)行研究,結(jié)果表明:在其他環(huán)境因素不變的情況下,葉片表面的覆冰質(zhì)量隨著溫度降低而不斷增加,平均增長(zhǎng)幅度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì);保持其他環(huán)境因素不變,來(lái)流速度逐漸增大的過(guò)程中,葉片表面覆冰質(zhì)量呈線性增加。

(2)通過(guò)ANSYS瞬態(tài)分析方法分析不同工況下支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)變化,結(jié)果表明,風(fēng)輪質(zhì)心向上偏移時(shí),從而使塔筒頂處和基礎(chǔ)頂處的位移、加速度的變化幅度變大;當(dāng)風(fēng)輪質(zhì)心向下偏移,從而使塔筒頂處和基礎(chǔ)頂處的位移、加速度的變化幅度減小,葉片覆冰后塔筒頂端的減小幅度均大于基礎(chǔ)頂端。

(3)通過(guò)將不同覆冰工況下支撐結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)相對(duì)比,結(jié)果表明,葉片覆冰會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)的頻率降低;當(dāng)覆冰導(dǎo)致風(fēng)輪整體質(zhì)心位置向上偏移會(huì)使結(jié)構(gòu)自振頻率降低,風(fēng)輪質(zhì)心位置向下偏移會(huì)使結(jié)構(gòu)自振頻率增大;隨著覆冰量的增多,塔筒頂處和基礎(chǔ)頂處的位移、加速度、應(yīng)力幅值均下降,其中塔筒頂端的下降幅度大于基礎(chǔ)頂端。研究結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步研究如何減小葉片覆冰及動(dòng)冰荷載對(duì)海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。

在探究葉片覆冰對(duì)支撐結(jié)構(gòu)冰振響應(yīng)的影響分析中,提出的結(jié)論是基于數(shù)值模擬方法來(lái)展開(kāi),缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)論證。但隨著相關(guān)測(cè)量設(shè)備精密性不斷提高以及各類(lèi)大型低溫實(shí)驗(yàn)室的陸續(xù)建立,后續(xù)會(huì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)與所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。