A new method is proposed in this study for estimating the damping ratio of a super tall building under strong wind loads with short-time measured acceleration signals. This method incorporates two main steps. Firstly, the power spectral density of wind-induced acceleration response is obtained by the wavelet transform, then the dynamic characteristics including the natural frequency and damping ratio for the first vibration mode are estimated by a nonlinear regression analysis on the power spectral density. A numerical simulation illustrated that the damping ratios identified by the wavelet spectrum are superior in precision and stability to those values obtained from Welch's periodogram spectrum. To verify the efficiency of the proposed method, wind-induced acceleration responses of the Guangzhou West Tower (GZWT) measured in the field during Typhoon Usagi, which affected this building on September 22, 2013, were used. The damping ratios identified varied from 0.38% to 0.61% in direction 1 and from 0.22% to 0.59% in direction 2. This information is expected to be of considerable interest and practical use for engineers and researchers involved in the wind-resistant design of super-tall buildings.
본 연구에서는 해상 풍력용 기상탑의 파단 원인을 찾기 위하여 실측된 풍속 자료를 분석하고, 변동 풍하중과 파랑하중에 의한 동적 변위를 산정하였으며, 와류진동에 대한 피로 검토를 수행하였다. 그 결과를 보면, 베인 풍속계와 초음파 풍속계의 10분 최대 풍속을 비교하여 기상탑에서 4시간 지속된 진동이 발생했음을 확인하였다. 그리고 파랑하중보다 풍하중이 기상탑의 동적 응답에 미치는 영향이 훨씬 크지만, 두 하중이 동시에 작용해도 기상탑의 부재력이 설계력보다 훨씬 낮아서 직접적인 파단의 원인이 아닌 것으로 나타났다. 하지만 와류진동은 연결부 볼트에서 피로 파괴를 일으키는 것으로 나타나서, 기상탑의 파단 원인은 유체의 변동 성분이 아닌 와류진동인 것으로 판단된다.
In this study, computer applied engineering (CAE) techniques are fully used to conduct structural and dynamic analyses of a whole huge wind turbine system including composite blades, tower and nacelle. For this study, computational fluid dynamics (CFD) is used to predict aerodynamic loads of the rotating wind-turbine blade model. Multi-body dynamic structural analyses are conducted based on the non-linear finite element method (FEM) by using super-element method for composite laminates blade. Three-dimensional finite element model of a wind turbine system is constructed including power train(main shaft, gear box, coupling, generator), bedplate and tower. The results for multi-body dynamic simulations on the wind turbine's critical operating conditions are presented in detail.
Lalonde, Eric R.;Dai, Kaoshan;Bitsuamlak, Girma;Lu, Wensheng;Zhao, Zhi
Wind and Structures
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제30권6호
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pp.663-678
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2020
Robust semi-active vibration control of wind turbines using tuned mass dampers (TMDs) is a promising technique. This study investigates a 1.5 megawatt wind turbine controlled by eight different types of tuned mass damper systems of equal mass: a passive TMD, a semi-active varying-spring TMD, a semi-active varying-damper TMD, a semi-active varying-damper-and-spring TMD, as well as these four damper systems paired with an additional smaller passive TMD near the mid-point of the tower. The mechanism and controllers for each of these TMD systems are explained, such as employing magnetorheological dampers for the varying-damper TMD cases. The turbine is modelled as a lumped-mass 3D finite element model. The uncontrolled and controlled turbines are subjected to loading and operational cases including service wind loads on operational turbines, seismic loading with service wind on operational turbines, and high-intensity storm wind loads on parked turbines. The displacement and acceleration responses of the tower at the first and second mode shape maxima were used as the performance indicators. Ultimately, it was found that while all the semi-active TMD systems outperformed the passive systems, it was the semi-active varying-damper-and-spring system that was found to be the most effective overall - capable of controlling vibrations about as effectively with only half the mass as a passive TMD. It was also shown that by reducing the mass of the TMD and adding a second smaller TMD below, the vibrations near the mid-point could be greatly reduced at the cost of slightly increased vibrations at the tower top.
Vibration and noise must be considered to maximize the efficiency of a yaw system and reduce the fatigue load acting on a wind turbine. This study investigated a method for analyzing yaw-system vibration based on the change in the load-duration distribution (LDD). A substructure synthesis method was combined with a planetary gear train rotational vibration model and finite element models of the housing and carriers. For the vibration excitation sources, the mass imbalance, gear mesh frequency, and bearing defect frequency were considered, and a critical speed analysis was performed. The analysis results showed that the critical speed did not occur within the operating speed range, but a defect occurred in the bearing of the first-stage planetary gear system. It was found that the bearing stiffness and first natural frequency increased with the LDD load. In addition, no vibration occurred in the operating speed range under any of the LDD loads. Because the rolling bearing stiffness changed with the LDD, it was necessary to consider the LDD when analyzing the wind turbine vibration.
The effectiveness of conventional tuned liquid dampers (TLDs) in controlling the wind-induced response of tall flexible structures has been indicated. However, the impaired control effect in the detuning condition or a considerably high mass cost of liquid may be incurred in ensuring the high-level serviceability. To provide an efficient TLD-based solution for wind-induced vibration control, this study proposes a serviceability-oriented optimal design method for isolated TLDs (ILDs) and derives analytical design formulae. The ILD is implemented by mounting the TLD on the linear isolators. Stochastic response analysis is performed for the ILD-equipped structure subjected to stochastic wind and white noise, and the results are considered to derive the closed-form responses. Correspondingly, an extensive parametric analysis is conducted to clarify a serviceability-oriented optimal design framework by incorporating the comfort demand. The obtained results show that the high-level serviceability demand can be satisfied by the ILD based on the proposed optimal design framework. Analytical design formulae can be preliminarily adopted to ensure the target serviceability demand while enhancing the structural displacement performance to increase the safety level. Compared with conventional TLD systems, the ILD exhibits higher effectiveness and a larger frequency bandwidth for wind-induced vibration control at a small mass ratio.
Recently, researches related to the green energy generation systems have increased significantly. Among them wind turbines are the most spread practical green energy generation systems. In order to enhance the power generation capacity of the wind turbine blade, the length of wind turbine blade has increased. It might cause undesirable excessive dynamic loads. Therefore dynamic characteristics of a wind turbine blade system should be identified for a safe design of the system. In this study, the equations of motion of a wind turbine blade system undergoing gravitational force are derived considering wind force and pitch angle. Effects of wind speed, variation of pitch angle of the wind turbine blade, rotating speed, and the blade length on its stability characteristics are investigated.
In this paper, a new algorithm for active control design of structures is proposed and investigated. The algorithm preserves the decoupling property of the modal vibration equation and eliminates the spillover problem, which is the main shortcoming in the independent modal space control(IMSC) algorithm. With linear quadratic regulator(LQR) control law, the analytical solution of algebraic Riccati equation and the optimal actuator control force are obtained, and the control design procedure is significantly simplified. A numerical example for the control design of a tall building subjected to wind loads demonstrates the effectiveness of the proposed algorithm in reducing the acceleration and displacement responses of tall buildings under wind actions.
The purpose of this study is to propose a procedure for evaluating quantitatively the increase of the equivalent damping ratio of a structure with passive/active vibration control systems subjected to a stationary wind load. A Lyapunov function governing the response of a structure and its differential equation are formulated first. Then the state-space equation of the structure coupled with the secondary damping system is solved. The results are substituted into the differential equation of the Lyapunov function and its derivative. The equivalent damping ratios are obtained from the Lyapunov function of the combined system and its derivative, and are used to assess the control effect of various damping devices quantitatively. The accuracy of the proposed procedure is confirmed by applying it to a structure with nonlinear as well as linear passive/active control systems.
Sajeer, M. Mohamed;Chakraborty, Arunasis;Das, Sourav
Smart Structures and Systems
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제26권6호
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pp.703-720
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2020
This paper investigates the safety of the wind turbine blade against excessive deformation. For this purpose, the performance of the blade in the along-wind direction is improved by longitudinal stiffener made of shape memory alloy. The rationale behind the selection of this smart material is due to its ability to offer excellent thermo-mechanical behaviour at low strain. Here, Liang-Roger model is adopted for vibration control, and the super-elastic effects are utilised for blade stiffening. Turbulent wind fields are generated at the hub height using TurbSim and the corresponding loads are evaluated using blade element momentum theory. An efficient switching algorithm is developed along with performance curves that enable the designer to select an optimal mode of heating depending upon the operational scenario. Numerical results presented in this paper clearly demonstrate the performance envelope of the proposed stiffener and its influence on the reliability of the blade.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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