風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)在風(fēng)沙荷載激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)分析

李萬(wàn)潤(rùn), 黃 杰, 丁明軒, 李德強(qiáng), 王雪平,3, 杜永峰,2,3

(1.蘭州理工大學(xué) 防震減災(zāi)研究所, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程減震隔震國(guó)際科技合作基地, 甘肅 蘭州 730050; 3.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050; 4. 中國(guó)華電集團(tuán)有限公司甘肅公司)

當(dāng)前我國(guó)正處在工業(yè)化的重要階段，高耗能產(chǎn)業(yè)占比大，能源短缺，環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻，節(jié)能減排任務(wù)艱巨.大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)能有效緩解能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題.風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源，同時(shí)也是當(dāng)前最廉價(jià)、技術(shù)最成熟的可再生資源.我國(guó)西北地區(qū)因其獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)，擁有得天獨(dú)厚的風(fēng)能資源，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到大力的發(fā)展，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到廣泛應(yīng)用.由于我國(guó)西北地區(qū)地表干旱，植被稀少，土地沙化嚴(yán)重，大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強(qiáng)勁，極易形成沙塵暴天氣.沙塵暴對(duì)建(構(gòu))筑物侵蝕嚴(yán)重，其荷載效應(yīng)明顯大于凈風(fēng)荷載作用下[1].李秋勝等[2]利用北京氣象塔對(duì)沙塵暴天氣下城市中心的邊界層風(fēng)剖面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，基于15個(gè)高度的風(fēng)速和風(fēng)向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)分析了沙塵暴天氣下的平均風(fēng)和湍流強(qiáng)度隨高度的變化規(guī)律、大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)剖面的影響、零平面位移和地面粗糙度的確定等城市邊界層風(fēng)特性.蔣國(guó)富等[3]通過(guò)對(duì)蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)戈壁風(fēng)沙流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，提出了風(fēng)沙流密度的概念，認(rèn)為建(構(gòu))筑物在風(fēng)沙流作用下的壓力由風(fēng)壓和砂顆粒對(duì)建(構(gòu))筑物的沖擊兩部分組成.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)沙塵暴的研究主要集中于風(fēng)沙氣候現(xiàn)象及風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)本身，而對(duì)沙塵暴作用于建筑物的風(fēng)沙荷載、風(fēng)沙流對(duì)建筑物環(huán)境影響以及將風(fēng)沙的運(yùn)動(dòng)及其對(duì)建筑物的作用效應(yīng)相結(jié)合的研究還很少.

風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析大多只針對(duì)風(fēng)荷載作用，而關(guān)于風(fēng)沙荷載對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析及對(duì)其造成的危害缺乏深入的研究，針對(duì)風(fēng)沙荷載的破壞程度和等級(jí)尚無(wú)定論.柯世堂等[4]以5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例采用諧波疊加法和葉素-動(dòng)量理論生成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)荷載，并對(duì)風(fēng)力機(jī)塔架-葉片耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性時(shí)域分析.趙榮珍等[5]根據(jù)多自由度模態(tài)分析理論，對(duì)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真.章子華等[6]采用不隨高度變化的臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)功率譜，基于線性濾波法與豎向相關(guān)性簡(jiǎn)化表達(dá)式模擬了某沿海風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)建立風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)耦合有限元模型，計(jì)算了風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)在上、下限臺(tái)風(fēng)風(fēng)速條件下動(dòng)力時(shí)程，分析了極端風(fēng)況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)主體結(jié)構(gòu)可能的破壞模式.目前風(fēng)荷載的數(shù)值計(jì)算已經(jīng)從基礎(chǔ)研究進(jìn)入應(yīng)用階段，但關(guān)于風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)在風(fēng)沙荷載作用下的數(shù)值計(jì)算還很少有人研究.

風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載具有極強(qiáng)的敏感性，若在風(fēng)中增加沙顆粒(例如沙塵暴)，則二者的耦合作用對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也將逐漸增大.因此本文基于動(dòng)量守恒定律和風(fēng)沙流密度理論，建立了風(fēng)沙荷載力學(xué)計(jì)算模型，通過(guò)MATLAB軟件分別對(duì)風(fēng)和風(fēng)沙荷載進(jìn)行模擬，并根據(jù)西北某風(fēng)場(chǎng)2 MW三槳葉水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立三種不同有限元模型，采用ANSYS軟件對(duì)不同荷載作用下的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)差異進(jìn)行分析，最終求解出不同等級(jí)沙塵暴對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的影響.

1 風(fēng)沙荷載

1.1 砂粒荷載

1.1.1砂粒荷載分類

砂粒荷載的分類比較復(fù)雜，本文以沙塵濃度作為砂粒荷載分類的主要依據(jù).沙塵濃度是評(píng)估沙塵暴強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，也是衡量風(fēng)沙流所能攜帶砂粒量的重要參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)和各地觀測(cè)值的綜合分析數(shù)據(jù)可知，不同強(qiáng)度等級(jí)的沙塵天氣下，沙塵顆粒濃度的綜合值是不同[7]，具體參數(shù)如表1所示.

表1 沙塵暴顆粒濃度計(jì)算參數(shù)

1.1.2砂粒荷載計(jì)算

根據(jù)動(dòng)量守恒定律和已有試驗(yàn)研究結(jié)論，沙塵暴災(zāi)害發(fā)生時(shí)，單個(gè)沙塵顆粒撞擊擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的撞擊力計(jì)算公式為

(1)

式中，F(xiàn)s(τ)為τ時(shí)間內(nèi)沙塵顆粒對(duì)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的撞擊力；m為τ時(shí)間內(nèi)撞擊擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的沙塵顆粒的質(zhì)量；v1、v2分別為強(qiáng)風(fēng)流中單位體積沙塵顆粒撞擊結(jié)構(gòu)前、后的速度；t為時(shí)間.

為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)沙塵顆粒撞擊擋風(fēng)結(jié)構(gòu)為彈性碰撞，反彈后的速度與撞擊前的速度一致(提高了建(構(gòu))筑物的安全儲(chǔ)備，偏安全)，即：

v1=-v2=vp

(2)

式中:vp為強(qiáng)風(fēng)流中單位體積砂礫顆粒的平均飛躍速度.

則式(1)可轉(zhuǎn)化為

(3)

(4)

式中，mi(i=1,2,…,N)為砂粒i的質(zhì)量；ρi為大于起沙風(fēng)速下某一風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)沙流密度.

假設(shè)單位體積內(nèi)所有沙塵顆粒都作用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，則某一直徑的沙塵顆粒荷載作用力之和為

Fi=F(τ)ni

(5)

式中：Fi為τ時(shí)間內(nèi)砂粒i的荷載作用力之和；ni為砂粒i在τ時(shí)間內(nèi)作用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的數(shù)量.

時(shí)間τ內(nèi)經(jīng)過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流體體積為

V=2Al

(6)

式中:l為流體在時(shí)間τ內(nèi)經(jīng)過(guò)的距離；A為風(fēng)力發(fā)電機(jī)迎風(fēng)面的面積.假定風(fēng)力發(fā)電機(jī)前后迎風(fēng)面均遭受砂粒荷載的沖擊作用，將結(jié)構(gòu)的受力面積簡(jiǎn)化為2A，因此沙塵顆粒荷載為

(7)

假定風(fēng)沙觀測(cè)系統(tǒng)上游沙源在短時(shí)間內(nèi)是不發(fā)生變化的，且在大于起沙風(fēng)速的同一風(fēng)速情況下，風(fēng)沙流密度是相同的.基于以上假定，風(fēng)沙觀測(cè)儀中某一高度處集沙總質(zhì)量為

Qh=∑ρiAvhT

(8)

式中:A為風(fēng)沙觀測(cè)系統(tǒng)的集沙器進(jìn)沙口面積；vh為某一高度風(fēng)沙流密度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速；T為在取樣時(shí)間內(nèi)起沙風(fēng)所持續(xù)的時(shí)間.因此，由式(8)可知：

(9)

則沙塵顆粒荷載的計(jì)算公式為

FP(t)=4ρivP(t)2A

(10)

1.2 風(fēng)荷載計(jì)算

在某一高度處，某一點(diǎn)的風(fēng)速可表示為平均風(fēng)速與脈動(dòng)風(fēng)速之和.平均風(fēng)速具有隨高度變化的規(guī)律，脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是隨機(jī)的，應(yīng)按隨機(jī)振動(dòng)理論求解其動(dòng)力響應(yīng)，本文采用對(duì)數(shù)律風(fēng)剖模擬平均風(fēng)速，采用隨高度變化的Davenport風(fēng)速譜模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的脈動(dòng)風(fēng)速.

1.3 風(fēng)沙荷載計(jì)算

風(fēng)沙流對(duì)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為凈風(fēng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)與風(fēng)沙流中砂顆粒撞擊擋風(fēng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和.研究風(fēng)沙顆粒荷載對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)際上是研究風(fēng)荷載與砂粒荷載疊加后的荷載對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的影響，因此本文將沙塵顆粒荷載計(jì)算模型與風(fēng)荷載模型相疊加，故風(fēng)沙荷載計(jì)算模型為

F=FW+FS

(11)

式中:F為單位體積內(nèi)風(fēng)沙荷載；FW為單位體積內(nèi)風(fēng)荷載；FS為單位體積內(nèi)沙塵顆粒荷載.

塔身風(fēng)荷載計(jì)算公式為

(12)

式中:μS為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體形系數(shù)；VS(t)為風(fēng)速.

由式(11)和式(12)可得

(13)

2 數(shù)值模擬

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本參數(shù)及模型

本文選用在西北地區(qū)風(fēng)力發(fā)電廠中最常見(jiàn)的2 MW三槳葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為原始模型.其中，風(fēng)輪半徑為44 m，各葉片之間呈120°夾角，額定轉(zhuǎn)速為17 r/min.輪轂質(zhì)量為12 t，葉片質(zhì)量14 t，機(jī)艙質(zhì)量為60 t.在分析過(guò)程中，忽略機(jī)艙內(nèi)部構(gòu)件將其視為一個(gè)矩形，長(zhǎng)度為8.44 m，寬度為3.56 m，高度為3.4 m.鋼塔高80 m，塔底直徑為4.1 m，塔底壁厚為25 mm.塔頂直徑為2.5 m，塔頂壁厚為15 mm.塔壁厚度隨高度線性變化.風(fēng)力發(fā)電塔筒鋼材的彈性模量為2.1×1011Pa，密度為7850 kg/m3.

采用大型有限元軟件ANSYS建立三種不同精細(xì)程度的有限元模型，如圖1所示.

圖1 風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Wind turbine model

模型1：風(fēng)力發(fā)電塔筒采用殼單元(shell181)模擬，風(fēng)輪與機(jī)艙簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量點(diǎn)，采用mass21單元模擬，采用CERIG命令與塔頂形成剛性區(qū)域.塔底節(jié)點(diǎn)與地面固接.

模型2：在模型1的基礎(chǔ)增加機(jī)艙、輪轂及葉片，將機(jī)艙及輪轂視為一個(gè)整體，采用beam189單元模擬，三個(gè)葉片采用有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?beam189)模擬.不同構(gòu)件單元之間采用多點(diǎn)約束單元實(shí)現(xiàn)耦合連接.塔底與地面仍采用固接.

模型3：在模型2的基礎(chǔ)上，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用[8](簡(jiǎn)稱SSI)對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響.在近域地基面上設(shè)置粘彈性人工邊界[9]，并將其等效為在土體界面上連續(xù)分布的并聯(lián)彈簧-阻尼系統(tǒng)來(lái)模擬SSI作用.

2.2 風(fēng)荷載模擬

為方便計(jì)算，對(duì)本文所采用的2 MW三槳葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)荷載模擬點(diǎn)簡(jiǎn)化為17個(gè)點(diǎn)，具體模擬點(diǎn)的選取高度與數(shù)值見(jiàn)圖2和表2.

圖2 模型風(fēng)模擬代表點(diǎn)Fig.2 Simulation representative point of model wind

表2 風(fēng)荷載模擬點(diǎn)參數(shù)

圖3 模擬點(diǎn)5的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線Fig.3 The wind speed time-history curve of simulation point 5

圖4 模擬點(diǎn)5的脈動(dòng)模擬功率譜與目標(biāo)功率譜比較Fig.4 Comparison between the pulsating analog turbine spectrum and the target turbine spectrum of simulation point 5

2.3 風(fēng)沙荷載模擬

由式(13)可知，砂粒荷載計(jì)算方法與風(fēng)荷載一致，均與風(fēng)速相關(guān)，且隨高度變化而變化.由于風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)為高聳結(jié)構(gòu)，考慮到工程計(jì)算的安全性與誤差要求，在實(shí)際應(yīng)用中僅考慮砂粒的順風(fēng)向荷載.已知砂顆粒運(yùn)動(dòng)速度與凈風(fēng)速、氣流動(dòng)力粘度、砂粒質(zhì)量及風(fēng)洞邊界尺寸特征值等因素有關(guān)，因風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為風(fēng)沙流的理想狀態(tài)，實(shí)際野外風(fēng)沙流中單位體積砂粒運(yùn)動(dòng)的平均速度根據(jù)相似準(zhǔn)則與量綱和諧原理為[10]

(14)

式中：k為與砂顆粒物理性質(zhì)(如級(jí)配、含水率等)有關(guān)的系數(shù)，通過(guò)采樣分析獲得；h為不受邊界影響的充分發(fā)展的紊流區(qū)域特征尺寸，取值范圍為0.2～5 m.

圖5為僅考慮風(fēng)荷載作用時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬點(diǎn)6的風(fēng)荷載時(shí)程曲線，圖6為考慮風(fēng)沙荷載作用時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬點(diǎn)7的風(fēng)沙荷載時(shí)程曲線.

圖5 模擬點(diǎn)6的風(fēng)荷載時(shí)程曲線Fig.5 The wind load time-history curve of simulation point 6

圖6 模擬點(diǎn)7的風(fēng)沙荷載時(shí)程曲線Fig.6 The wind-blown-load time-history curve of simulation point 7

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

基于風(fēng)速脈動(dòng)時(shí)程與風(fēng)沙荷載時(shí)程理論，利用ANSYS軟件分別對(duì)三種不同模型下的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，按照6種不同等級(jí)的風(fēng)沙荷載分別模擬了不同風(fēng)速下的風(fēng)荷載和風(fēng)沙荷載，通過(guò)對(duì)不同等級(jí)風(fēng)荷載單獨(dú)激勵(lì)與風(fēng)沙荷載共同激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析.求解出不同模型在不同沙塵暴等級(jí)下風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的響應(yīng).

模型1：根據(jù)葉片實(shí)際氣動(dòng)外型，利用葉素-動(dòng)量理論(BEM)計(jì)算葉片各截面的氣動(dòng)荷載，最后通過(guò)疊加氣動(dòng)荷載，得到風(fēng)輪的軸向氣動(dòng)推力，如圖7所示.將軸向推力施加于模型1的塔頂集中質(zhì)量點(diǎn)來(lái)模擬葉片的氣動(dòng)荷載，塔筒風(fēng)荷載采用模擬得到的風(fēng)荷載時(shí)程施加.計(jì)算不同工況下的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng).得到不同荷載工況下的塔頂最大位移，如表3所示.圖8為特強(qiáng)沙塵暴作用下結(jié)構(gòu)的頂部位移時(shí)程曲線.

圖7 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速下軸向氣動(dòng)推力Fig.7 Axial aerodynamic thrust at rated speed of the wind wheel

表3 模型1不同荷載作用下塔頂最大位移

圖8 模型1特強(qiáng)沙塵暴作用下結(jié)構(gòu)頂部位移時(shí)程曲線Fig.8 Displacement time-history curve of the top of structure under the action of super strong sandstorm

由表3可知，考慮風(fēng)沙荷載作用時(shí)，在6種不同等級(jí)的沙塵暴作用下，風(fēng)力發(fā)電塔頂?shù)捻旤c(diǎn)位移均比單一風(fēng)荷載作用下的位移大，其中當(dāng)風(fēng)沙等級(jí)為特強(qiáng)沙塵暴時(shí)，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔頂位移最大，為159.85 mm，遠(yuǎn)大于風(fēng)荷載單獨(dú)作用下的塔頂位移.而當(dāng)風(fēng)沙等級(jí)為弱沙塵暴時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔頂位移增幅最大，為29.23%.因此對(duì)于多風(fēng)沙災(zāi)害地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，考慮風(fēng)沙荷載作用時(shí)，不僅要關(guān)注最大等級(jí)沙塵暴對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的作用，也要注意一般等級(jí)沙塵暴對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)位移增幅.

模型2：采用Davenport相關(guān)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)考慮葉片和塔架之間的相關(guān)性，采用諧波疊加法計(jì)算風(fēng)機(jī)葉片的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，基于修正的葉素-動(dòng)量理論(MBEM)[11]，引入普朗特葉尖損失因子和輪轂損失因子模擬葉片兩面存在的氣壓差導(dǎo)致的氣流在葉尖和葉根部沿葉片展向產(chǎn)生的二次流.考慮葉片三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，加入動(dòng)態(tài)失速延遲模型對(duì)葉片升力系數(shù)及阻力系數(shù)進(jìn)行修正.考慮湍流-尾流狀態(tài)，在軸向誘導(dǎo)因子較大時(shí)進(jìn)行Glauert修正.計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在不同風(fēng)速、不同葉片轉(zhuǎn)速及偏航角情況下的動(dòng)態(tài)荷載，進(jìn)而得到考慮風(fēng)輪和塔架相干效應(yīng)及葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的葉片脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程[12].

根據(jù)BEM理論，葉片相對(duì)風(fēng)速Vrel計(jì)算公式為

(15)

式中：Vox、Voy分別為諧波疊加法計(jì)算沿順風(fēng)向和橫風(fēng)向的來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)速；vrot為葉片旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的線速度；W為誘導(dǎo)速度；Vbx、Vby分別為葉片振動(dòng)速度，各速度關(guān)系參見(jiàn)圖9.

圖9 葉素氣流速度矢量圖Fig.9 Vector diagram of leaf airflow velocity

誘導(dǎo)速度W可由式(16)表示：

(16)

式中:B為葉片數(shù)；L為葉片升力；φ為入流角；ρ為空氣密度；r為葉素沿葉片軸向的長(zhǎng)度；n為推力方向的單位向量；F為普朗特葉尖損失因子.

其中，葉片入流角φ為

(17)

式中：Ω為葉片旋轉(zhuǎn)速度；a為軸向誘導(dǎo)因子；a′為切向誘導(dǎo)因子；v∞為葉片處風(fēng)速.

(18)

基于上述的風(fēng)場(chǎng)模擬方法，得到考慮葉片旋轉(zhuǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，如圖10所示.從而得到不同風(fēng)速下的風(fēng)荷載及風(fēng)沙荷載，采用圖2的加載方式，得到模型2不同荷載工況下的塔頂最大位移如表4所示.圖11為特強(qiáng)沙塵暴作用下結(jié)構(gòu)的頂部位移時(shí)程曲線.

圖10 葉片模擬點(diǎn)14風(fēng)速時(shí)程Fig.10 The wind speed time-history curve blade simulation point 14

圖11 模型2特強(qiáng)沙塵暴作用下結(jié)構(gòu)頂部位移

表4 模型2不同荷載作用下塔頂最大位移

由表4可知，考慮葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，在6種不同等級(jí)的風(fēng)沙荷載作用下，風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移均比相應(yīng)等級(jí)風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)大，這與不考慮葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)得到的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)變化規(guī)律相同.但在相同等級(jí)風(fēng)荷載及風(fēng)沙荷載作用下，考慮葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均比不考慮葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)大.

模型3：采用模型2中計(jì)算得到的葉片及塔筒脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)荷載和風(fēng)沙荷載時(shí)

程進(jìn)行加載.采用粘彈性人工邊界模擬風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)的土-結(jié)構(gòu)相互作用.在近域地基面上設(shè)置人工邊界，將其等效為在人工截?cái)噙吔缟线B續(xù)分布的并聯(lián)彈簧-阻尼系統(tǒng)，如圖12所示.其中彈簧元件的彈性系數(shù)Kb及粘性阻尼器的阻尼系數(shù)Cb為

圖12 人工邊界等效彈簧-阻尼示意圖Fig.12 Schematic diagram of artificial boundary equivalent spring-damping

式中：ρ、G分別為介質(zhì)的質(zhì)量密度和剪切模量；R為散射波源至人工邊界的距離,取地基表面中心點(diǎn)到人工邊界的平均距離；土體尺寸為60 m×60 m×40 m；c為介質(zhì)中的波速；參數(shù)α參照表5確定.場(chǎng)地土參數(shù)如表6表示.

表6 場(chǎng)地土體參數(shù)

表5 三維粘彈性人工邊界參數(shù)α的取值

Tab.5 The value of three-dimensional viscoelastic

artificial boundary parameterα

類型方向α三維人工邊界法向4/3切向2/3

注：各土層的泊松比均為0.2.

基于上述土-結(jié)構(gòu)相互作用的模擬方法及風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處場(chǎng)地的土參數(shù).采用模型2中得到的風(fēng)荷載及風(fēng)沙荷載時(shí)程進(jìn)行有限元?jiǎng)恿憫?yīng)分析，得到模型3在不同沙塵暴等級(jí)下風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)塔頂最大位移的影響，如表7所示.

表7 模型3不同荷載作用下塔頂最大位移

由表7可知，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，削弱了地基和基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用，增加了塔體基礎(chǔ)與地基連接的柔度，因此風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)在不同等級(jí)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)均增大，塔筒頂部的最大位移相較于不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)大約增加25.6%.

4 結(jié)論

本文是以2 MW三槳葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)為模型，分別建立了塔頂集中質(zhì)量模型、考慮葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型以及考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用三種不同精細(xì)程度的有限元模型.通過(guò)數(shù)值模擬得到不同風(fēng)沙等級(jí)的風(fēng)荷載和風(fēng)沙荷載時(shí)程曲線，對(duì)上述三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)有限元模型進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，得到如下結(jié)論：

1) 通過(guò)對(duì)比單獨(dú)風(fēng)荷載與風(fēng)沙荷載作用下三種不同精細(xì)程度的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，考慮風(fēng)沙荷載作用下的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)比單一風(fēng)荷載作用下的塔頂位移大.因此雖然風(fēng)荷載是風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)荷載，但沙塵顆粒對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)具有明顯的放大效應(yīng)，因此在西北多風(fēng)沙地區(qū)風(fēng)沙荷載對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的危害應(yīng)予以關(guān)注.

2) 考慮葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)計(jì)算不同等級(jí)風(fēng)沙荷載以及風(fēng)荷載動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的塔頂最大位移增大，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，采用簡(jiǎn)化的塔頂集中質(zhì)量模型，得到的結(jié)果偏于不安全，建議在進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)采用考慮葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的整機(jī)有限元模型.

3) 考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用計(jì)算不同等級(jí)風(fēng)荷載及風(fēng)沙荷載作用下風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，由于地基對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的放大作用，其風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)塔頂?shù)奈灰圃龃?，其增幅較為顯著.因此，應(yīng)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的影響.

致謝：本文得到蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)秀青年基金的資助，在此表示感謝.