CN113176071A - 复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统 - Google Patents
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Abstract
一种复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统，包括组合式模型箱、自平衡式反力架、电动伺服作动器及结构体系模型。组合式模型箱结构简单，组装方便，不受场地限制；自平衡式反力架用于安放作动装置并提供反力，可实现加载高度的调节；电动伺服作动器通过伺服控制系统可实现结构物宽频带范围内的高响应加载，结合数据采集系统可以实现外部荷载激励与结构实时响应之间的耦合；结构体系模型为简化的海上风电机组但并不限于单桩基础。本发明的优点是：一方面，可将基于不同荷载计算理论得到的动荷载通过作动器精确输出；另一方面，研发的实时反馈的功能能够实现外部激励和结构响应之间的耦合，从而实现更加精确的动荷载模拟。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统，主要解决复杂动荷载作用下海上风电结构体系的动力响应模型试验中外部动荷载激励与结构实时响应之间的耦合实现问题，涉及岩土工程、结构工程及海洋工程。
背景技术
在桩土相互作用研究领域，模型试验作为一种定性揭示桩土相互作用原理的研究手段被广泛采用，近年来取得了大量可靠成果。针对本领域中复杂动荷载作用下海上风电结构体系动力响应的问题，试验中影响因素众多，其中荷载因素对试验结果往往具有决定性的作用。因此，尽可能合理地模拟真实海况中复杂海洋环境动荷载对结构物的作用是此类试验研究的重中之重。传统的试验中对于结构所承受的海洋环境动荷载的模拟，通常是采用人为规定的经验性的循环荷载波形或者基于某一种荷载理论计算得到的动荷载曲线，并将此荷载时程曲线输入结构。但这两种荷载确定方法与真实的情况并不相符，海上风电结构体系受到的风、浪、地震等动荷载虽然可以通过不同的荷载计算理论求得，但实际上这几种动荷载的大小都随着结构的实时响应而不断改变，比如上风向风机运行荷载与结构的实时转角等变量关系密切；固定式桩柱波浪力的计算受到桩身运动的影响；结构受到的地震力又与结构实时加速度响应有关，所以采用事先确定好的荷载进行施加与真实值有所差别。
目前针对海上风电结构体系动力响应的试验研究中，已有的试验技术大致可分为：以人工造波和造风技术为基础的模拟真实风浪的波浪水池及风洞试验；采用自研装置或伺服作动装置加载的室内模型试验。以人工造波和造风技术为基础的模拟真实风浪的波浪水池和风洞试验，由于能近似还原原始海况而被作为最符合实际的试验方式。国内方面，大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室在我国第一个水下振动台的基础上，开发了波流和地震联合模拟系统，增设的简易风场模拟系统可模拟风荷载，能够开展风浪流及地震联合加载的试验研究；哈尔滨工程大学大气边界层风洞与浪槽联合实验室拥有大气边界层风洞、进行风浪联合模拟的浪槽，能够开展海洋工程结构风-浪联合试验；天津大学船舶与海洋工程水池设置有双向造波机群和造流系统，后期引进了风扇矩阵可以进行局部造风，具备了一定的风浪联合加载能力，但是风场覆盖范围内的稳定区域有限，限制了试验的规模。国外方面，BLWT-II风洞实验室、美国缅因大学Alfond W2海洋工程实验室也均具备实现风浪联合模拟试验的功能。但是此类大规模风浪联合实验室数量稀少，有条件开展此类试验的机构并不多，因此试验开展不易。并且这类试验中风浪控制困难，而且受限于场地尺寸，通常需进行消波设计以消除反射波对试验的干扰，这就增加了实验室的设计和施工成本，由此导致试验成本过于高昂，因此试验数量并不多。而且国内高品质风洞-浪槽-水下振动台联合实验室仍属空白，目前仍不具备全面地模拟海洋环境荷载的试验条件。
采用自研装置或伺服作动装置加载的室内模型试验，由于能部分反应海洋环境低频循环荷载的特性，较为多见。自研装置大致可分为偏心轮机加载装置和小型三齿轮加载装置。偏心轮机加载装置是采用力矩平衡的原理，通过电机带动轮盘往复转动，再通过钢绞线或弹簧对结构施加循环荷载，改变配重块和电机电压从而实现荷载幅值和频率的改变，但是受限于此类装置的特点，所施加的循环荷载只局限于等幅值的单向或双向，无法在一次试验中任意改变幅值大小；小型三齿轮加载装置规模及重量较小，由相互咬合的三个齿轮组成，转动时能够在结构一侧产生偏心力，只能输出正弦形式的循环荷载，但避免了试验中对结构产生多余附加质量和约束等问题，频率和幅值的改变通过调整大齿轮配重物质量和齿轮转动速率实现。这类自研加载装置共同的特点是：将海洋环境低频循环荷载的特征简化为幅值和频率两个要素，试验中对于不同工况的考虑通过改变这两个参数实现。但是受限于此类试验装置的特点，在一次试验中无法随时改变荷载频率和幅值大小，与真实的海洋环境的荷载形式有较大出入，因此此类装置存在的适用性不足的缺点。目前伺服作动装置加载多采用液压伺服作动器，但液压系统自身的噪音、油污、能耗、占地等问题突出，出力大、输出荷载频域范围小且稳定作用时间有限，而考虑相似比折减后的海上风电的室内试验荷载通常量值较小且不断变化，此类液压作动装置不太适用。从已有的试验来看，液压作动装置只能稳定施加正弦波、三角波、方波和有一定静偏载的循环荷载波形，荷载形式不够灵活且与实际动荷载曲线不符，更难以考虑外部激励与结构实时响应之间的耦合。但本发明研发的电动伺服作动器无论从作动器的出力、加载速率还是荷载的频域范围等方面都优于传统液压伺服作动器，并且先进的伺服控制系统支持编程处理试验过程中结构的实时响应，从而进一步反馈到试验所施加的荷载理论计算值中，不但可以避免现有试验中存在的问题，而且能够达到更精确地模拟海洋环境动荷载的目的。
近年来我国海上风电事业迅猛发展，海上风电结构建设量巨大，风电基础在整个海上风电机组的建设过程中发挥重要作用，其中又以单桩基础应用最为广泛，因此迫切需要开展风浪流荷载作用下海上风电结构体系尤其是单桩结构的动力响应试验研究。对于海上风电结构体系来说，不但需要考虑风、波浪(流)等多荷载作用的耦合，更需要考虑外部激励与模型结构实时动力响应之间的耦合，因此仅靠经验性的荷载波形加载难以准确地反映结构在复杂海洋环境动荷载作用下的真实响应，且现有的加载技术难以满足对试验精确度的要求。在理想的试验条件下，应当结合波浪水池、风洞、振动台及土工离心机来精确模拟复杂海洋环境作用下结构物的真实响应，但是受限于目前的试验条件，上述设想尚无法达到。基于前人的研究，采用各类力学装置模拟加载有一定可行性，加上近年来伺服作动装置的充分发展，目前可以将基于不同荷载计算理论得到的动荷载曲线与先进的伺服控制系统结合，通过编程处理在试验过程中结构的实时动力响应，并将该响应进一步反馈到海洋环境动荷载的理论计算结果中，从而实现模型试验中对风浪流荷载更加真实地模拟和准确地施加。
发明内容
本发明的目的一方面是改善现有海上风电结构体系室内模型试验中加载装置输出的荷载波形过于简化的不足；另一方面是解决了海上风电结构体系模型试验中所施加的外部激励与结构实时响应的耦合实现问题，并为此提出了一种可用于复杂动荷载作用下海上风电结构体系动力响应的室内模型试验的加载方法。该发明整合了组合式模型箱以及电动伺服作动器的优势，在此基础上进行了二次研发。
具体来说，本发明提供了一种复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统，所述复杂动荷载作用下海上风电工程结构体系动力响应试验加载应至少包括组合式模型箱、自平衡式反力架、电动伺服作动器及海上风电结构体系模型，组合式模型箱以及作动器的尺寸及性能参数应充分考虑相似原理进行选择。
所述组合式模型箱由角钢、亚克力侧板、连接板、螺杆、螺栓等基本构件组成。箱体钢框架由16根长度不一的、横截面为80mm*80mm*6mm的标准角钢通过打孔、切割加工而成，采用3根角钢和3个连接板的典型节点装配形式，通过螺栓栓接实现整体模型箱钢框架的拼装，4块亚克力侧板作为箱体的内壁，在箱体侧板外设置横向和纵向角钢加强肋，纵向角钢加强肋与外部钢框架栓接处用小型连接板加固，两根水平螺杆穿过角钢立柱和横、纵角钢加强肋，预留孔位全部通过螺栓栓接，使模型箱整体有较好的稳定性，另外在模型箱侧板底部位置设置有排水口，方便在有水试验中增设排水龙头配合排水隔层排水。该模型箱可根据试验规模调整箱体尺寸以满足试验需求，拆卸、改装方便并可灵活布置于任意试验空间。
所述自平衡式反力架由三组对接的槽钢及螺栓组成，由于此类试验中用到的荷载量值一般都比较小，可以利用箱体自重平衡。下部反力架用两根14a槽钢通过中部的预留孔位栓接并保留一定间距，套在水平螺杆上，两根竖直螺杆架设在下部14a槽钢反力架预留的孔位，上部两组槽钢反力架采用14a和18a槽钢采用同样的方式栓接而成，组成的槽钢平面用于安装作动装置进行试验加载，为试验加载提供反力，在模型试验中通过调整竖直螺杆上螺母的上下位置，可改变作动装置的加载高度。
所述作动装置为小型电动伺服作动器，主要由电动缸、传感器、电源组件、数据采集系统及伺服控制系统组成。该作动器采用电推动，出力范围10kg～2t，可双向加载，工作行程±100mm，可实现宽频带范围内的高响应伺服加载，可采用力控制、位移控制、加速度控制及混合控制方式，具有较长的稳定工作时间，能够满足海上风电结构体系耦合模型试验的需要。能够利用数据采集系统和伺服控制系统通过编程实现外部激励与模型结构响应之间的反馈调节，来完成海上风电结构体系耦合模型的动力响应试验。伺服控制系统与普通的液压作动装置及常见的自研加载装置的区别在于：第一，可以实现自定义波的功能，能够将基于不同荷载理论计算得到的动荷载时程通过数据导入的方式进行伺服输出；第二，在试验过程中通过传感器及数据采集系统得到结构的实时响应，可以利用编程处理的方式，将其对所施加荷载的影响反馈到下一个时间增量的动荷载的理论计算值中，从而实现外部激励与结构响应之间的耦合，以此来完成复杂海洋环境动荷载的精确模拟。
所述海上风机结构体系由钢管桩、塔筒和上部机舱与叶片组成，室内试验模型可简化为上部带有集中质量的管桩结构，通过法兰将风机塔筒模型和单桩结构模型相连使之成为整体，上部集中质量与塔筒模型通过焊接连接，之后利用套箍作为夹具将作动器加载头与结构物固定，套箍与作动器加载头通过一根一端带有螺纹的钢杆连接。通过改变套箍大小可实现对不同直径管桩结构物的加载。本发明可以用于但并不限于单桩结构物的加载，通过改变结构物模型和加载夹具，可实现其他类型的海上风电结构物如导管架基础、重力式基础、筒形基础及多桩基础的模型试验加载。
本发明的优势一方面在于克服了传统的液压伺服作动装置只能输出简单波形，而典型自研装置输出的荷载类型单一且不灵活的缺点，该电动伺服作动器可以将根据不同风浪荷载理论计算得到的动荷载曲线通过自定义波的方式输入，能够在试验中准确地模拟出风荷载和波浪(流)荷载的理论计算值等结果；另一方面能够实现外部激励和结构响应之间的耦合，可进行在风浪流荷载单独作用或耦合作用下结构与周围土体的动力响应的研究，具有稳定性、可靠性和可操作性。另外，本项发明结合了现有组合式模型箱和小型电动伺服控制作动器的优势，并在此基础上进行了二次研发。
将所述复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统与试验测量技术、计算机数值编程计算技术、有限元数值模拟方法相结合，可实现海上风电结构物极限承载力拟静力推覆试验、风浪流荷载作用下海上风电结构体系动力响应耦合模型试验及相关的混合试验。
附图说明
以下附图仅旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1显示的是根据本发明的一个具体实施案例提出的一种复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统的立体结构示意图；
图2显示的是图1的俯视示意图；
图3显示的是图1的左视示意图；
图4显示的是图1的正视示意图；
图5显示的是图1的典型节点装配示意图；
图6显示的是图1的细部放大示意图；
图中标记：1-角钢，2-连接板，3-亚克力侧板，4-水平M30螺杆，5-横向角钢加强肋，6-纵向角钢加强肋，7-排水口，8-M30螺母，9-14a槽钢反力架，10-竖向M30螺杆，11-18a槽钢反力架，12-作动器电源组件，13-作动器机身，14-作动器伸缩杆，15-拉压力传感器，16-集中质量，17-风机塔筒模型，18-夹具，19-对接法兰，20-钢管桩模型，21-螺纹钢杆
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的编号。
图1显示的是根据本发明的一个具体实施案例提出的一种复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统立体结构示意图，图中粗略显示的是本发明研发的复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统大致组成及结构，详细说明的是相比现有试验技术的区别与优势。图2显示的是图1的俯视示意图，图3显示的是图1的左视示意图，图4显示的是图1正视示意图，图5显示的是模型箱典型节点的装配形式示意图，图6显示的是作动器加载头与结构物的连接形式示意图，用于帮助本领域人员阅读理解。
参见图l，本发明的复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统与现有技术的一个显著区别在于，能够通过自定义荷载的方式施加比传统试验更加复杂的动荷载波形，并且可以考虑外部激励与结构动力响应的耦合关系，能够完成复杂动荷载作用下海上风电工程结构动力响应耦合试验加载，实现更符合实际海洋环境的动荷载模拟。加载系统包括模型箱、反力架、作动装置及结构物，空间关系如图1所示。
组合式模型箱由16根截面为80mm*80mm*6mm的角钢1和若干块五边形连接板2通过说明书附图5所示的典型节点的组合形式拼装，通过合适尺寸的螺栓在预留孔位处栓接形成模型箱整体钢框架，四块亚克力侧板3作为模型箱的内壁，在模型箱的左右及前后两侧板外设置有角钢横向及纵向加强肋5和6，并用矩形连接板2加固，两根水平M30螺杆4穿过角钢立柱1和纵向角钢加强肋6并用M30螺母7栓接，增强模型箱整体稳定性，其余孔位均通过合适尺寸的螺栓栓接。
如说明书附图1所示，反力架由三组对接的槽钢、螺杆组成，利用箱体自重平衡。下部14a槽钢反力架9通过中部三组螺栓连接，套在水平M30螺杆4上，两根竖直M30螺杆10架设在下部14a槽钢反力架9预留的孔位中，上部两组槽钢反力架11采用14a和18a槽钢，用于安装作动装置进行试验加载，为试验提供反力，在试验中通过调整螺母的上下位置，可改变作动装置的加载高度。
电动伺服作动器13通过钢制底板上的螺栓安装在反力架11的预留孔位上，可调整反力架竖向螺杆上下螺母实现加载高度的改变，作动器出力范围10kg～2t，完全满足海上风电结构模型试验的需求，作动器伸缩杆14的行程为±100mm，可对结构物实现双向加载，伸缩杆前端设置有拉压力传感器15，作为伺服控制过程中荷载量值的主要测量及采集设备，作动器电源组件与作动器机身栓接在同一块钢制底板上，为电动伺服作动器提供动力源。试验过程中通过各类传感器量测结构物的实时动力响应，利用作动器采集系统采集结果数据，通过编程处理得到的结构实时响应用于下一个时间增量的荷载理论计算；再将考虑结构实时响应后的理论动荷载值通过自定义波的方式输入作动器，通过伺服控制软件实现外部激励与结构实时响应之间的耦合，从而达到更加实际和更加精确地模拟海洋环境动荷载的目的。
海上风电结构体系可简化为集中质量16、风机塔筒模型17和钢管桩模型20，其中风机塔筒模型17和钢管桩模型20通过如图6所示的对接法兰19连接，上部集中质量16与风机塔筒模型采用焊接形式，这三者形成一个整体，集中质量16中心设有贯穿孔，方便试验中测量装置数据采集线从钢管桩及风机塔筒模型内部穿出，作动器加载头与结构物通过夹具18和一端带螺纹钢杆21连接。
由上可见，复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统的显著优势在于：一方面，可以将基于不同荷载计算理论的风浪流荷载通过作动器伺服控制系统精确输出，克服了现有试验中对于海洋环境荷载波形过于简化的缺点；另一方面，在此基础上研发的实时反馈的功能能够实现外部激励和结构响应之间的耦合，在试验加载过程中反馈结构动力响应对荷载理论值影响，从而实现更加精确地模拟海洋环境动荷载，为本问题的试验研究提供了一种新的加载思路。
将所述复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统与试验测量技术、计算机数值编程计算技术、有限元数值模拟方法相结合，可实现海上风电结构物极限承载力拟静力推覆试验、风浪流荷载作用下海上风电结构体系动力响应耦合模型试验及相关的混合试验。
以上说明书及附图中如此叙述仅仅是为了清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式,并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员,在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
Claims (1)
1.复杂动荷载作用下海上风电结构体系耦合模型试验加载系统，其特征在于：包括组合式模型箱、自平衡式反力架、电动伺服作动器及海上风电结构体系模型；组合式模型箱由主体角钢框架(1)和亚克力侧板(3)组成长方形箱体，箱体结构短边侧面设置两道横向向角钢加强肋(5)，箱体结构长边侧面中部设置两道竖向角钢加强肋(6)，箱体角点和纵向角钢加强肋与箱体钢框架连接处由钢制连接板(2)栓接加固，两根水平M30螺杆(4)穿过角钢框架(1)及横纵角钢加强肋预留孔位，箱体的长边侧面底部设有排水孔(7)；自平衡式反力架由上部的一组18a槽钢反力架、中下两组14a槽钢反力架及竖向M30螺杆(10)组成并架设在模型箱体一侧，三组槽钢反力架都由标准槽钢利用腹板上的预留孔位通过螺栓连接而成，将其套在水平和竖向螺杆上，由M30螺母(8)固定并可调整位置；电动伺服作动器由电源组件(12)、作动器机身(13)、数据采集系统及伺服控制系统组成，电源组件(12)、作动器机身(13)集成在一块钢制底板上，钢制底板通过螺栓连接于自平衡式反力架的槽钢腹板平面上；海上风电结构体系模型由集中质量(16)、风机塔筒模型(17)、钢管桩模型(20)组成，集中质量(16)留有数据引出线孔，与风机塔筒模型(17)焊接连接，风机塔筒模型(17)与钢管桩模型(20)通过对接法兰(19)连接，整体模型结构位于箱体中部并通过夹具(18)和螺纹钢杆(21)与作动器伸缩杆(14)前端的拉压力传感器(15)相连。
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