【摘 要】
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大跨度柔性光伏支架结构因具有良好的场地适应性和经济性而得到越来越多的应用。随着支架结构高度和跨度的增加,其受风敏感性也随之凸显。然而,目前大跨度柔性支架结构的风致响应及抗风设计等问题仍缺乏深入的理论及试验研究。这也是强风作用下,该类结构风振响应问题显著的重要原因。因此,开展大跨度柔性光伏支架的风致效应研究将具有显著的理论和工程意义。本文以典型大跨度柔性光伏支架结构为研究对象,通过风洞试验、理论分析
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“新型大跨度柔性光伏支架结构的风效应评估及抗风设计优化研究”(编号:51978614); 浙江省自然科学基金“大跨柔性光伏支架结构的抗风设计研究”(编号:LY19E080026);
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大跨度柔性光伏支架结构因具有良好的场地适应性和经济性而得到越来越多的应用。随着支架结构高度和跨度的增加,其受风敏感性也随之凸显。然而,目前大跨度柔性支架结构的风致响应及抗风设计等问题仍缺乏深入的理论及试验研究。这也是强风作用下,该类结构风振响应问题显著的重要原因。因此,开展大跨度柔性光伏支架的风致效应研究将具有显著的理论和工程意义。本文以典型大跨度柔性光伏支架结构为研究对象,通过风洞试验、理论分析和有限元数值计算等方法系统探究了其风致效应及控制措施。主要内容如下:1)对典型大跨度柔性光伏支架结构在0°、5°和10°三种组件倾角下进行了气弹模型测振试验。分析了风速、拉索预张力以及不同组件倾角对光伏支架结构竖向位移响应的影响,探索了大跨度柔性光伏支架结构风振位移响应的非高斯特性和位移峰值因子取值。采用有限元数值仿真技术研究了不同倾角支架结构的三维风振特性。研究结果表明:随着倾角增大,结构的风振效应明显增强。最大的风振响应出现在0°和180°风向角下且与之相应的位移峰值因子大部分位于4-5之间。张力增加有助于控制风振响应,但对于10°倾角下的支架结构,张力增加对于风振位移的降低效果并不显著。对于组件倾斜布置支架,结构的风振响应与风速的平方近似呈线性关系。高风速下容易激发结构的高阶竖向模态响应。大跨度柔性光伏支架的三维风振表现为:竖向振动为主,平动位移次之,扭转响应可以忽略的特点。2)在气弹模型试验的基础上,基于改进的随机减量方法,分别使用经验小波变换(EWT)和变分模态分解(VMD)方法识别得到了不同风速风向、组件倾角以及预张力下的气动阻尼。研究结果表明:气动阻尼对风向角的变化较为敏感,随风速的增加气动阻尼大体呈减小趋势。在某些风速、风向角下气动阻尼值要大于结构阻尼,在风振分析中必须予以考虑。当组件倾斜铺设时,光伏结构气动阻尼在风向角180°时会出现负值。同时,为反映柔性光伏支架结构非平稳响应信号的时频特性,提出基于短时傅里叶变换的Fast Bayesian模态参数识别方法。该方法采用短时傅里叶变换(STFT)代替傅里叶变换进行模态参数识别,使模态参数的识别同时具有时频特性,同时能够给出识别结果的不确定性。利用时域分解解耦技术(TDD),将多自由度多模态响应信号转变为单自由度单模态响应信号,提升了计算效率,并推导了高信噪比下负对数似然函数(NLLF)的表达式。应用数值算例验证了Fast Bayesian STFT方法的有效性。在此基础上,针对大跨柔性光伏支架结构气弹模型的风洞试验数据,利用Fast Bayesian STFT方法进行了气弹模型的阻尼、频率识别,并与连续小波变换(CWT)和Hilbert-Huang变换(HHT)等经典方法的识别结果进行对比。3)通过刚性模型测压试验,研究了光伏组件板面的平均风压和脉动风压系数在不同风向角和倾角组合下的分布特性以及全风向角下组件的极值风压变化规律,并给出了部分风向角下的脉动风压功率谱图。在此基础上,结合光伏组件的风压分布特点,利用时域法和频域法比较分析了结构的风致位移响应,计算了结构的多目标等效静力风荷载和风振系数。研究结果表明:组件倾角10度时,在0°和180°风向角下,平均风压系数沿来流方向梯度分布且绝对值迅速衰减;板面脉动风压分布与平均风压分布趋势类似;组件平铺时,平均风压系数梯度分布规律不显著。同时柔性光伏支架结构的风致位移响应以共振响应为主,结构风振位移响应中1阶模态贡献较大。4)基于风压分布和位移响应特性分析,采用ANSYS有限元数值仿真软件研究比较了不同参数的TMD的减振效率,提出了结构风致响应的控制措施。
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