مطالعه تجربی و عددی مقاومت ضربه ای توربین بادی

با توسعه انرژی های تجدیدپذیر، تولید برق بادی فراساحلی چین به تدریج به مناطق دریای سرد مانند دریای بوهای گسترش می یابد. منابع نیروی بادی فراساحلی چین در مناطقی با عمق بیش از 50 متر عمق [1] حدود 500 میلیون کیلووات برآورد شده است. برای انطباق با آب عمیق‌تر، پایه‌های توربین‌های بادی دریایی (OWT) از پایه‌های تک‌پایل به سه‌پایه‌ها و استفاده از ژاکت برای استحکام و پایداری بیشتر تغییر کرده‌اند. تاکنون، نسبت فونداسیون ژاکت مورد استفاده در فونداسیون اروپایی OWT از 10 درصد فراتر رفته است. حداکثر عمق آب برای چنین فونداسیون ژاکت اکنون 100 متر در نظر گرفته می شود. آنها فقط حداقل نیازهای زمین شناسی دریایی را تحمیل می کنند و می توانند آب و هوای شدید در دریا را تحمل کنند [2]، [3]. این یکی از اشکال اصلی توسعه پایه OWT ثابت در آینده است.

یخ ضخیم دریا اثرات نامطلوب جدی بر عملکرد ایمن یک OWT دارد، در نتیجه یخ دریا به بار کنترلی در طراحی ساختاری OWT ها برای مناطق دریای سرد تبدیل می شود. آسیب یخ قبلاً باعث خسارات اقتصادی جدی شده است [4]، [5]، [6]، [7]. هوانگ [8] دینامیک برهمکنش یخ با پایه ژاکت را در مقیاس مدل مطالعه کرده و تأثیر سرعت ها و ضخامت های مختلف یخ را بر پاسخ دینامیکی چنین سازه هایی تحلیل کرده است. ضخامت یخ مهمترین عامل [9]، [10]، [11] بود. برخورد کشتی خطر دیگری است که باید در نظر گرفته شود. جرم و اینرسی درگیر بسیار زیاد است. بیهل مدلی از برخورد جانبی بین انواع مختلف کشتی ها و پایه ها ایجاد کرده است. آنها کمانش و ظرفیت باربری ایمن اعضا را تجزیه و تحلیل کردند و به این نتیجه رسیدند که پایه های ژاکت پایدارترین هستند [12]، [13]، [14]. کروندیک به صورت عددی برخورد یک تانکر نفت 160000 تنی را بر روی پاهای یک پایه ژاکت شبیه‌سازی کرد و به این نتیجه رسید که اتصال ضربه می‌تواند به اندازه‌ای آسیب ببیند که عملکرد ایمن یک توربین بادی را به خطر بیندازد [15]. Moulas 44 موقعیت برخورد را مورد مطالعه قرار داد و نشان داد که ضربه زدن به تکیه گاه های جانبی نیازی به آسیب کلی ندارد و ضریب ایمنی یک فونداسیون ژاکت بیشتر از یک پایه تک پایه است [16]. ژانگ برخورد کشتی بر روی یک ژاکت را بررسی کرده است، نتایج آنها نشان می دهد که فرورفتگی و تنش در نقطه برخورد با سرعت برخورد افزایش می یابد [17].

این مطالعه یک ژاکت CFDST را پیشنهاد می کند، پایه ژاکت از لوله های فولادی داخلی و خارجی و بتن تشکیل شده است. بتن بین لوله های فولادی داخلی و خارجی پر می شود [19]، [20]، [21]، دارای سختی بالا، ظرفیت باربری خوب و جذب انرژی بهتر از یک ژاکت لوله فولادی توخالی است [22]. محققان خواص مکانیکی [23]، [24]، [25]، پسماند [26]، [27] و مقاومت در برابر آتش [28] این گونه سازه‌ها و اجزای آنها را مطالعه کرده‌اند، اما تحقیقات کمتری در مورد مقاومت در برابر ضربه وجود دارد. وانگ و همکاران [29]، [30] با استفاده از شبیه‌سازی FE برای نشان دادن اینکه نسبت توخالی به شدت بر مقاومت ضربه‌ای CFDST تأثیر می‌گذارد. اقدمی پاسخ دینامیکی ستون‌های CFDST به بارگذاری ضربه‌ای عرضی را مطالعه کرد و تأثیر نسبت تراکم محوری را بر عملکرد ضربه تجزیه و تحلیل کرد [31]. ژائو و یوسف اجزای CFDST را در فولاد ضد زنگ مطالعه کردند و نشان دادند که استحکام تسلیم فولاد تأثیر قابل توجهی بر ظرفیت خمشی و مقاومت ضربه دارد [32، [33]، [34]. وانگ و همکاران [35] از نرم افزار ABAQUS برای مطالعه پاسخ دینامیکی اجزای CFDST تحت ضربه با سرعت کم استفاده کرد و ضریب افزایش دینامیکی را پیشنهاد کرد که می تواند برای توصیف قدرت اجزا مورد استفاده قرار گیرد. اقدمی و همکاران [36] یک مطالعه تجربی بر روی ویژگی‌های تغییر شکل و شکست ستون‌های CFDST تحت ضربه جانبی انجام داد و یک مدل عددی ایجاد کرد که می‌تواند پاسخ ضربه ستون‌های CFDST را پیش‌بینی کند. وانگ و همکاران [37] دریافتند که خط لوله CFDST می تواند از نفوذ و تغییر شکل ضربه یخ شناور در مطالعه خطوط لوله دریایی که در برابر بارگذاری ضربه مقاوم هستند جلوگیری کند. لی و همکاران [38] مدلی از ستون‌های CFDST را ایجاد کرد که در برابر ضربه جانبی وسایل نقلیه یا کشتی‌ها در پل‌ها مقاومت می‌کردند و نشان دادند که ستون‌های CFDST فقط تحت تأثیر خمش موضعی و تغییر شکل انتهایی تحت ضربه جانبی قرار می‌گیرند. کوربت و همکاران [39] آسیب اجزای CFDST را در برابر برخورد پرتابه با سرعت بالا مورد مطالعه قرار داد. بتن می تواند به طور موثر آسیب و عمق نفوذ لوله های فولادی بیرونی را کاهش دهد و از پدیده نفوذ کلی جلوگیری کند. لی و همکاران [40] یک مطالعه تجربی بر روی پاسخ دینامیکی مفاصل T CFDST انجام داد. نسبت تراکم محوری لوله اصلی و ارتفاع ضربه تأثیر زیادی بر مقاومت در برابر ضربه اتصالات دارد. رمنیکوف و همکاران [41] آزمایش‌های ضربه چکش قطره‌ای را روی اجزای CFDST با لوله‌های فولادی فولادی ضدزنگ و فولاد کم کربن انجام داد. نتایج نشان می دهد که فولاد ضد زنگ دارای مقاومت در برابر ضربه و توانایی تغییر شکل بالایی است. فراتر از آن، کمی در مورد مقاومت ضربه ای کل سازه هایی که بارهای عمودی برون مرکزی را تحمل می کنند، گزارش شده است. رشد نیروی بادی فراساحلی چنین تحقیقاتی را مهم می کند.

در این مطالعه از دستگاه ضربه پاندول برای بررسی تست‌های مقاومت به ضربه چندگانه بر روی ژاکت CFDST و ژاکت لوله فولادی توخالی استفاده شده است. مدل FE ژاکت ضربه ای آونگ تحت بار خارج از مرکز با استفاده از نرم افزار LS-DYNA ایجاد شده است. با تجزیه و تحلیل پارامترهایی مانند نیروی ضربه، فرورفتگی موضعی و شتاب ثبت شده توسط ابزار اکتساب، پاسخ ضربه دو ژاکت تحت بار ضربه به دست می آید. در نهایت، آزمایش‌ها برای مستندسازی حالت‌های شکست و روشن کردن مکانیسم‌های تغییر شکل طراحی شده‌اند تا پایه‌ای محکم برای استفاده از ژاکت CFDST در عمل مهندسی فراهم کنند.