Dynamic analysis of offshore wind turbine in clay consideringsoil–monopile–tower interaction

آنالیز دینامیک توربین بادی دریایی در خاک رسی با در نظر گرفتن تعامل خاک- مونوپیل - برج

abstract

A comprehensive study is performed on the dynamic behavior of offshore wind turbine (OWT) structure

supported on monopile foundation in clay. The system is modeled using a beam on nonlinear Winkler

foundation model. Soil resistance is modeled using American Petroleum Institute based cyclicp–yandt–

zcurves. Dynamic analysis is carried out in time domain usingfinite element method considering wind

and wave loads. Several parameters, such as soil–monopile–tower interaction, rotor and wave

frequencies, wind and wave loading parameters, and length, diameter and thickness of monopile

affecting the dynamic characteristics of OWT system and the responses are investigated. The study

shows soil–monopile–tower interaction increases response of tower and monopile. Soil nonlinearity

increases the system response at higher wind speed. Rotor frequency is found to have dominant role

than blade passing frequency and wave frequency. Magnitude of wave load is important for design rather

than resonance from wave frequency.

&2014 Elsevier Ltd. All rights reserved

چکیده

مطالعه ی جامعی بر روی وضعیت دینامیک سازه ی توربین بادی دریایی ( OWT ) که بر روی پایه مونوپیل در خاک رسی استقرار یافته بود انجام گرفت . سیستم با استفاده از یک تیر در مدل پایه ی غیر خطی winkler مدلسازی شد . مقاومت خاک با کمک موسسه نفت خام آمریکا بر مبنای منحنی های P – Y و t – z چرخه ای مدلسازی شد . آنالیز دینامیک در حوزه ی زمانی با استفاده از روش المان محدود با در نظر گرفتن نیروهای باد و موج انجام گرفت . چندین پارامتر همانند تعامل خاک – مونوپیل – برج ، فرکانس روتور و موج ، پارامترهای نیروی باد و موج ، طول ، قطرو ضخامت مونوپیل که ویژگی های دینامیک سیستمOWT را تحت تاثیر قرار می دهند و نیز پاسخ ها مورد بررسی قرار گرفتند . این مطالعه نشان داد که تعامل خاک – مونوپیل – برج ، پاسخ برج و مونوپیل را افزایش داده است . غیر خطی بودن خاک ، واکنش سیستم را در سرعت بالای باد افزایش داد . فرکانس روتور مشخص شد که دارای نقش غالبی نسبت به فرکانس گذرنده از تیغه و فرکانس موج می باشد . بزرگی نیروی باد نسبت به رزونانس از فرکانس موج برای طراحی حائز اهمیت تر می باشد .

واژگان کلیدی : پویایی ، مونوپیل ، توربین بادی دریایی ، تعامل سازه – خاک ، غیر خطی بودن خاک ، نیروی باد و موج