基于几何精确梁理论的超大型海上风机非线性动力响应与土-结构耦合效应研究

本文推荐一种融合几何精确梁理论（GEB）与非线性Winkler地基模型的海上风机非线性动力分析框架，系统揭示风机在风-浪耦合激励下几何非线性、土-结构相互作用（SSI）及气动-水力-结构多物理场耦合机制，为超大型海上风机（OWT）动态安全评估提供高精度计算范式。

　　

Highlight

本研究通过引入几何精确梁理论（GEB）表征几何非线性、耦合SSI动力学和随机风-浪载荷机制，为IEA-15MW单桩海上风机开发了非线性动力分析框架。模型的准确性通过对比现有数值软件在计算叶片、叶片-塔架系统和支撑结构固有频率方面得到严格验证。通过一系列数值分析，系统探究了以下关键现象：

Conclusions

1. 1.
   单独风激励下，转子旋转效应对塔架响应的影响不可忽略；
2. 2.
   单独波激励中，因频率失谐（detuning）效应，塔架位移与波载荷幅值呈非线性关系；
3. 3.
   风-浪联合作用时，湍流与波谱能量的随机相位抵消可能导致结构响应低于单一工况；
4. 4.
   SSI引发的频率软化会增大软土场地风机共振风险，因塔基频更接近波谱能量集中区；
5. 5.
   几何非线性对叶片动力响应影响显著，剪切变形引起的翘曲效应与扭转变形耦合进一步放大扭转位移。

研究亮点（Research Highlights）

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  建立混合形式GEB理论嵌入非线性Winkler地基的耦合动力学模型；
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  揭示旋转叶片离心刚化效应与塔-土-波多频耦合机制；
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  验证几何非线性在大型风机气动弹性分析中的临界作用。