不同运行条件下海上风力涡轮机结构的动态模型测试

《Ocean Engineering》：Dynamic model test of offshore wind turbine structure under different operating conditions

海上风电系统动态响应与桩土相互作用研究。针对现有室内试验忽略海底及桩土动力效应的问题，设计集成风浪流加载装置，实现复杂海洋环境载荷实时模拟。研究表明额定风速工况下OWT结构呈现最大力和变形，超额定工况时叶片气动载荷主导结构变形，同时海底与桩土的动态响应显著影响上部结构。为提升海上风电结构安全评估精度提供新方法。

　　在当前全球能源结构转型的背景下，海上风力发电机组（Offshore Wind Turbine, OWT）作为可再生能源的重要组成部分，其结构安全性和运行稳定性受到了广泛关注。随着海洋环境的复杂性和风力发电技术的不断进步，OWT在实际运行过程中面临着多种动态载荷的挑战，包括风载、波浪载荷以及洋流载荷等。这些载荷不仅在强度上存在差异，而且在时间序列上表现出显著的随机性和非线性特征。因此，对OWT结构在不同运行工况下的动态响应特性进行深入研究，具有重要的理论和实际意义。

现有的OWT动态模型试验多采用简化的方式模拟其结构部件，例如将塔筒、机舱和叶片简化为质量块，从而便于实验操作和数据分析。然而，这种简化方法往往忽略了海床与桩基之间的相互作用，以及这些相互作用对上部结构变形的影响。事实上，海床的动态响应与桩基土壤的相互作用在OWT整体结构的稳定性中扮演着至关重要的角色。海床的变形不仅受到外部环境载荷的影响，还可能因土壤的压缩、剪切以及孔隙水压力的变化而产生复杂的力学效应。因此，为了全面评估OWT的动态性能，必须将海床与桩基的动态响应纳入研究体系。

本文提出了一种集成化的加载系统，该系统能够模拟真实海洋环境下的风、波浪和洋流载荷。通过这种系统，可以更准确地再现OWT在不同运行工况下的实际受力状态，从而揭示其结构的动态响应特性。同时，该系统还具备良好的操作性和可重复性，为后续的疲劳特性、桩基土壤相互作用以及桩基承载能力等研究提供了基础支持。实验过程中，通过布置多个加速度测量点，对OWT结构在不同高度处的振动特性进行了系统分析。结果显示，在额定风速条件下，OWT结构的受力和变形达到最大值，而在外部环境载荷超过额定风速时，叶片的气动载荷则成为影响结构变形的主要因素。

进一步的分析表明，海洋环境载荷的综合作用会导致OWT结构产生更大的变形，这在一定程度上增加了结构的不稳定性。因此，需要对OWT的动态响应进行更全面的评估，以确保其在复杂海洋环境下的安全性和可靠性。此外，叶片的气动载荷不仅影响结构的振动特性，还可能通过其旋转运动对整个系统的动态响应产生重要影响。在实际运行中，叶片的旋转速度通常由风速决定，而在模型试验中，为了模拟实际的旋转运动，通常需要通过风力涡轮机或伺服电机来驱动叶片的旋转。然而，这种驱动方式可能会导致模型试验中的海洋载荷环境与实际情况存在偏差，从而影响研究结果的准确性。

针对上述问题，本文采用了一种更为精细的模型试验设计，不仅对OWT的结构部件进行了详细建模和加工，还特别关注了海床与桩基之间的相互作用。通过模拟真实的海洋环境载荷，实验能够更全面地反映OWT在不同运行工况下的动态行为。同时，通过对海床和桩基的动态响应进行系统研究，本文为理解OWT整体结构的稳定性提供了新的视角。此外，实验结果还表明，叶片的气动载荷在海洋环境载荷较大时对结构变形的影响尤为显著，这提示在OWT的设计和维护过程中，需要特别关注叶片气动载荷的作用机制。

在模型试验的设计过程中，参考了实际项目的数据，确保了实验的科学性和实用性。试验所使用的风力涡轮机模型具有广泛的应用背景，并且在多个工程项目中得到了验证。试验地点选在了北京工业大学的国家桥梁安全与韧性重点实验室，该实验室具备先进的实验设备和技术支持，能够为OWT的动态模型试验提供可靠的环境条件。通过在实验室环境中模拟真实海洋环境，研究人员能够更准确地评估OWT在不同运行条件下的动态性能，从而为实际工程中的结构设计和维护提供科学依据。

本文的研究成果不仅揭示了OWT在不同运行工况下的动态响应特性，还为后续的结构分析提供了重要的参考。例如，通过研究OWT结构在不同高度处的加速度变化，可以更深入地理解其振动模式和能量分布。此外，通过分析海床与桩基之间的相互作用，可以评估土壤的承载能力和变形特性，为桩基设计提供优化建议。这些研究成果对于提高OWT的结构安全性、延长其使用寿命以及降低维护成本具有重要意义。

在实际工程应用中，OWT的动态响应分析不仅需要考虑外部环境载荷的影响，还需要结合结构本身的特性进行综合评估。例如，风力涡轮机的叶片设计、塔筒的材料选择以及桩基的布置方式都会对OWT的动态性能产生重要影响。因此，在进行OWT的动态模型试验时，必须综合考虑这些因素，以确保实验结果能够真实反映实际运行条件下的结构行为。同时，还需要关注模型试验中的加载方式和模拟精度，以避免因实验条件与实际环境的差异而导致研究结果的偏差。

通过本文的实验和分析，可以得出以下几点重要的结论。首先，在额定风速条件下，OWT结构的受力和变形达到最大值，这表明在实际运行中，额定风速是结构设计和安全评估的重要参考条件。其次，当外部环境载荷超过额定风速时，叶片的气动载荷对结构变形的影响显著增强，这提示在高风速条件下，叶片的气动特性需要被更加重视。第三，海床与桩基之间的相互作用对OWT结构的稳定性具有重要影响，特别是在复杂海洋环境下，这种相互作用可能导致结构的额外变形，从而影响整体的安全性。最后，本文提出的集成化加载系统能够有效模拟真实海洋环境下的载荷条件，为后续的结构研究提供了可靠的技术支持。

这些结论不仅有助于深化对OWT动态响应特性的理解，还为未来的结构优化和设计提供了理论依据。例如，在OWT的结构设计中，可以通过优化叶片的气动特性来减少高风速条件下的结构变形，从而提高其运行效率和安全性。同时，针对海床与桩基之间的相互作用，可以通过改进桩基设计或选择更合适的土壤处理方式，来增强结构的稳定性。此外，本文的研究方法和实验设计也为其他类型的海洋工程结构提供了参考，有助于推动相关领域的技术进步。

综上所述，本文通过对OWT结构在不同运行工况下的动态响应进行系统研究，揭示了其在复杂海洋环境中的行为特性。研究结果表明，额定风速条件下的结构受力和变形达到最大值，而高风速条件下的叶片气动载荷对结构变形具有主导作用。同时，海床与桩基之间的相互作用对结构的稳定性具有重要影响。本文提出的集成化加载系统能够有效模拟真实海洋环境下的载荷条件，为OWT的结构分析和设计提供了新的思路和方法。这些研究成果不仅对OWT的工程实践具有指导意义，也为未来相关领域的研究奠定了基础。