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論文基本資料
摘要
外文摘要
目次
參考文獻
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研究生:
陳彥豪
研究生(外文):
Chen,Yan-Hao
論文名稱:
基礎勁度對風機系統線性振動行為之影響研究
論文名稱(外文):
Effects of Foundation Stiffness on The Linear Vibration of Wind Turbine Systems
指導教授:
江支弘
、
余志鵬
指導教授(外文):
Chiang,Chih-Hung
、
Yu,Chih-Peng
口試委員:
鄭家齊
、
林宜清
口試委員(外文):
Cheng,Chia-Chi
、
Lin,Yi-Ching
口試日期:
2016-08-26
學位類別:
碩士
校院名稱:
朝陽科技大學
系所名稱:
營建工程系
學門:
工程學門
學類:
土木工程學類
論文種類:
學術論文
論文出版年:
2016
畢業學年度:
105
語文別:
中文
論文頁數:
77
中文關鍵詞:
風機
、
振動
、
頻率
、
基礎勁度
外文關鍵詞:
wind turbine
、
frequency
、
foundation stiffness
、
vibration
相關次數:
被引用:0
點閱:256
評分:
下載:29
書目收藏:0
近年來環保意識抬頭,對於再生能源的需求逐漸增加,其相關技術也
逐漸改良以及被運用,而風力發電也是再生能源的其中一種,利用風能發
電沒有燃料與輻射、空氣污染的問題,因此風力發電成為具有經濟效益的
再生能源之一,台灣風力發電機大多位於沿海地區,容易造成看不見的破
壞,因此定期監測與維護對於降低風險與成本有很大的幫助。
本論文延續本研究群之前所分析的一維頻率域連續解 1DC 程式之風機
塔柱模型,加上地下結構物與土壤進行模擬,以觀察地下結構物與土壤對
風機塔柱之振動頻率影響。
經數值模擬與結果分析後得知,土壤剪力波波速、樁直徑與基座尺寸
對風機塔柱振動頻率的影響相當明顯,而影響幅度會隨著基礎勁度增加而
減少。在分層土壤的數值模擬中,以最上層之土壤對風機塔柱振態頻率影
響最大。
Previous study found that the dominant frequency of a linear structure, such
as the supporting tower of a wind turbine decreased as some local stiffness
decreased in the cantilever beam model, simulated using linear spectral elements.
Decrease in the dominant frequency was also resulted from the increase in the
added mass at the free end of the beam model. Current research expanded this
cantilever beam model to analyze the effect of foundation stiffness. Parameters
investigated include the shear wave velocity of the soil, the diameter and the
length of the mono pile, and the size of the tower-base plate. The results show
that the shear wave velocity, the pile diameter, and the base plate size all affect
the first modal frequency of the model significantly. However the pile length has
little effect except for a smaller tower-base plate and at a shear wave velocity
less than 150m/s in the surrounded soil. Numerical modeling has also been
performed for two-, three-, and four-layer soil. The soil stiffness at the top layer
of all three models should be one of the critical factors affecting both first and
second modal frequencies.
致謝 ........................................................................................................................ I
摘要 ...................................................................................................................... II
ABSTRACT ........................................................................................................ III
目錄 ..................................................................................................................... IV
表目錄 ............................................................................................................... VII
圖目錄 .................................................................................................................. X
第一章 緒論 ...................................................................................................... 1
1-1 研究動機與目的 .................................................................................. 1
1-2 研究方法 .............................................................................................. 1
第二章 文獻回顧 .............................................................................................. 3
2-1 風力發電機塔柱的振動分析 .............................................................. 3
2-2 一維頻率域連續解1DC 程式介紹與應用 ........................................ 4
2-3 砂土之剪力波波速 .............................................................................. 5
2-4 風力發電機塔柱動態位移記錄之時頻分析 ..................................... 6
2-5 以頻率域模型與動態特性評估現有風機系統[13] ........................... 7
2-6 風力發電機之損傷診斷研究 .............................................................. 8
2-6-1 廣域應變量測應用於大型風機葉片損傷診斷之研究[14] .... 8
2-6-2 風機塔柱結構損傷診斷與敏感度分析[15] ............................ 8
2-7 土壤彈簧公式[16] ............................................................................... 9
第三章 模型之定義及參數研究 .................................................................... 10
3-1 風車模型 ............................................................................................ 10
3-2 改變土壤剪力波波速 ........................................................................ 12
3-3 改變樁直徑 ........................................................................................ 15
3-3-1 樁直徑0.5m 之單樁 ............................................................... 15
3-3-2 樁直徑0.71m 之等效單樁 ..................................................... 16
3-3-3 樁直徑1.0m 之單樁 ............................................................... 17
3-3-4 樁直徑2.0m 之單樁 ............................................................... 18
3-3-5 樁直徑6.0m[19]之單樁 .......................................................... 19
3-3-6 小結 ......................................................................................... 20
3-4 改變樁長 ............................................................................................ 21
3-4-1 以6m×6m×2m 之基座進行模擬 ........................................... 21
3-4-2 以16m×16m×2m 之基座進行模擬 ....................................... 23
3-4-3 小結 ......................................................................................... 25
3-5 單樁與多樁 ........................................................................................ 26
3-6 質量加載的影響 ................................................................................ 32
3-7 摩擦樁與點承樁 ................................................................................ 34
3-8 樁之2 節點與3 節點比較 ................................................................ 36
3-9 小結 .................................................................................................... 44
第四章 數值模擬分析與結果 ........................................................................ 45
4-1 分層土壤 ............................................................................................ 45
4-1-1 2 層土壤 .................................................................................. 45
4-1-2 3 層土壤 .................................................................................. 50
4-1-3 小結 ......................................................................................... 55
4-2 分層土壤 – 鑽探報告[20] ............................................................... 56
4-3 分層土壤 – 塔柱之振態振形 .......................................................... 62
4-3-1 基座尺寸6m×6m×2m ............................................................. 62
4-3-2 基座尺寸16m×16m×2m ......................................................... 66
4-3-3 小結 ......................................................................................... 70
4-4 小結 .................................................................................................... 71
第五章 結論與建議 ........................................................................................ 73
5-1 結論 .................................................................................................... 73
5-2 建議 .................................................................................................... 74
參考文獻 ............................................................................................................. 75
表目錄
表 2-1 土壤彈簧與阻尼公式[16][17] ............................................................ 9
表3-1 風機塔柱參數表 ................................................................................ 11
表3-2 基座與基樁參數表 ............................................................................ 11
表3-3 各種樁半徑之第一振態頻率 ............................................................ 20
表3-4 第一振態頻率比較:同點4 樁與等效單樁之相差百分比 ........... 29
表3-5 4 樁第一振態頻率(Hz) ..................................................................... 33
表3-6 等效單樁第一振態頻率(Hz) ............................................................ 33
表3-7 4 樁有無質量之第一振態相差百分比 ............................................. 33
表3-8 等效單樁有無質量之第一振態相差百分比 ................................... 33
表3-9 4 樁摩擦樁風機塔柱第一振態頻率(Hz) ......................................... 35
表3-10 4 樁點承樁風機塔柱第一振態頻率(Hz) ......................................... 35
表3-11 等效單樁摩擦樁風機塔柱第一振態頻率(Hz) ................................ 35
表3-12 等效單樁點成樁風機塔柱第一振態頻率(Hz) ................................ 35
表3-13 4 樁之2 節點與3 節點頻率比較(位移) .......................................... 37
表3-14 等效單樁之2 節點與3 節點頻率比較(位移) ................................. 37
表4-1 第一層N 值2 的參數表 ................................................................... 45
表4-2 等效單樁各元素長度表 .................................................................... 47
表4-3 4 樁各元素長度表 ............................................................................. 48
表4-4 4 樁數值模擬結果 ............................................................................. 48
表4-5 等效單樁數值模擬結果 .................................................................... 48
表4-6 第二層N 值2 的參數表 ................................................................... 50
表4-7 等效單樁各元素長度表 .................................................................... 52
表4-8 4 樁各元素長度表 ............................................................................. 52
表4-9 4 樁之數值模擬結果(位移) .............................................................. 53
表4-10 等效單樁之數值模擬結果(位移) ..................................................... 53
表4-11 鑽探報告[20]土壤參數表 ................................................................. 56
表4-12 等效單樁各元素之長度表 ................................................................ 58
表4-13 4 樁各元素之長度表 ......................................................................... 59
表4-14 數值模擬與文獻[2]之結果 ............................................................... 59
表4-15 等效單樁數值模擬結果 .................................................................... 59
表4-16 4 樁數值模擬結果 ............................................................................. 59
表4-17 4 樁之振態頻率 ................................................................................. 63
表4-18 等效單樁之振態頻率 ........................................................................ 63
表4-19 4 樁之風機塔柱各節點的位移振幅 ................................................. 64
表4-20 等效單樁之風機塔柱各節點的位移振幅 ........................................ 64
表4-21 4 樁模型之振態頻率 ......................................................................... 67
表4-22 等效單樁模型之振態頻率 ................................................................ 67
表4-23 4 樁模型風機塔柱各節點之位移振幅 ............................................. 68
表4-24 等效單樁模型風機塔柱各節點之位移振幅 ................................... 68
圖目錄
圖 2-1 砂土之Vs 與SPT- 60 N 的對照圖 ........................................................ 5
圖3-1 風車塔柱模型示意圖(a)元素圖(b)節點圖 ...................................... 10
圖 3-2 土壤密度1660 kg m3加載質量的波速改變圖 ................................ 13
圖 3-3 土壤密度1660 kg m3無加載質量的波速改變圖 ............................ 13
圖3-4 質量加載,第一振態頻率增加百分比 ............................................ 14
圖3-5 無質量加載,第一振態頻率增加百分比 ........................................ 14
圖3-6 樁直徑0.5m 數值模擬結果 .............................................................. 15
圖3-7 等效單樁數值模擬結果 .................................................................... 16
圖3-8 樁直徑1.0m 數值模擬結果 .............................................................. 17
圖3-9 樁直徑2.0m 數值模擬結果 .............................................................. 18
圖3-10 樁直徑6m 數值模擬結果 ................................................................. 19
圖3-11 基座尺寸6m×6m×2m,樁體為摩擦樁並加載質量 ....................... 22
圖3-12 基座尺寸6m×6m×2m,樁體為摩擦樁無加載質量 ....................... 22
圖3-13 基座尺寸16m×16m×2m,樁體為摩擦樁並加載質量 ................... 24
圖3-14 基座尺寸16m×16m×2m,樁體為摩擦樁無加載質量 ................... 24
圖3-15 4 樁元素示意圖 ................................................................................. 27
圖3-16 4 樁節點示意圖 ................................................................................. 27
圖3-17 等效單樁元素示意圖 ........................................................................ 28
圖3-18 等效單樁節點示意圖 ........................................................................ 28
圖3-19 剪力波速100m/s 摩擦樁 .................................................................. 29
圖3-20 剪力波速150m/s 摩擦樁 .................................................................. 30
圖3-21 剪力波速200m/s 摩擦樁 .................................................................. 30
圖3-22 剪力波速250m/s 摩擦樁 .................................................................. 31
圖3-23 剪力波速300m/s 摩擦樁 .................................................................. 31
圖3-24 數值模型元素示意圖–2 節點樁 ..................................................... 38
圖3-25 數值模型節點示意圖–2 節點樁 ....................................................... 38
圖3-26 數值模型元素示意圖–3 節點樁 ..................................................... 39
圖3-27 數值模型節點示意圖–3 節點樁 ..................................................... 39
圖3-28 4 樁6x6x2 有質量2 節點與3 節點比較(位移) .............................. 40
圖3-29 4 樁6x6x2 無質量2 節點與3 節點比較(位移) .............................. 40
圖3-30 等效單樁6x6x2 有質量2 節點與3 節點比較(位移) ..................... 41
圖3-31 等效單樁6x6x2 無質量2 節點與3 節點比較(位移) ..................... 41
圖3-32 4 樁16x16x2 有質量2 節點與3 節點比較(位移) .......................... 42
圖3-33 4 樁16x16x2 無質量2 節點與3 節點比較(位移) .......................... 42
圖3-34 等效單樁16x16x2 有質量2 節點與3 節點比較(位移) ................. 43
圖3-35 等效單樁16x16x2 無質量2 節點與3 節點比較(位移) ................. 43
圖4-1 分層土壤之元素示意圖(a)等效單樁(b)4 樁 ................................... 46
圖4-2 分層土壤之節點示意圖(a)等效單樁(b)4 樁 ................................... 47
圖4-3 基座尺寸6m×6m×2m 的風機塔柱塔頂節點位移頻譜圖 .............. 49
圖4-4 基座尺寸16m×16m×2m 的風機塔柱塔頂節點位移頻譜圖 .......... 49
圖4-5 分層土壤之元素示意圖(a)等效單樁(b)4 樁 ................................... 51
圖4-6 分層土壤之節點示意圖(a)等效單樁(b)4 樁 ................................... 51
圖4-7 基座尺寸6m×6m×2m 的風機塔柱塔頂節點位移頻譜圖 .............. 54
圖4-8 基座尺寸16m×16m×2m 的風機塔柱塔頂節點位移頻譜圖 .......... 54
圖4-9 元素示意圖(a)等校單樁(b)4 樁 ....................................................... 57
圖4-10 節點示意圖(a)等校單樁(b)4 樁 ....................................................... 58
圖4-11 基座尺寸6m×6m×2m 的風機塔柱塔頂節點位移頻譜圖 .............. 60
圖4-12 基座尺寸16m×16m×2m 的風機塔柱塔頂節點位移頻譜圖 .......... 60
圖4-13 基座尺寸6m×6m×2m 的風機塔柱塔頂節點加速度頻譜圖 ......... 61
圖4-14 基座尺寸16m×16m×2m 的風機塔柱塔頂節點加速度頻譜圖 ..... 61
圖4-15 4 樁之風機塔柱第一與第二振態位移 ............................................. 65
圖4-16 等效單樁之風機塔柱第一與第二振態位移 ................................... 65
圖4-17 4 樁風機塔柱第一與第二振態位移 ................................................. 69
圖4-18 等效單樁風機塔柱第一與第二振態位移 ........................................ 69
圖4-19 4 樁之第一與第二振態頻率比較圖 ................................................. 72
圖4-20 等效單樁之第一與第二振態頻率比較圖 ........................................ 72
1. Chih-Hung Chiang, Chih-Peng Yu, Keng-Tsang Hsu, Chia-Chi Cheng,Ying-Tzu Ke, and Yi-Ru Shih (2014) “Remote monitoring and nondestructive evaluation of wind turbine towers”, Proc. SPIE 8321, 90631J,Nondestructive Characterization for Composite Materials, Aerospace Engineering, Civil Infrastructure, and Homeland Security 2014, edited by H.Felix Wu, Tzu-Yang Yu, Andrew L. Gyekenyesi, Peter J. Shull.
2. 施怡如,「風力發電機塔柱的振動分析」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2014
3. Chih-Hung Chiang, Chi-Lung Huang, Keng-Tseng Hsu, Chia-Chi Cheng,Chih-Peng Yu, Jiunnren Lai“Time frequency analyses of vibrations of wind turbine towers,” Proc. of SPIE. Vol.9437,94371C, 2015
4. 林政勳,「細長混凝土桿之應力衝擊錘反應研究」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2003
5. 陳鴻智,「鋼筋混凝土樑損傷檢測之初步研究」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2004
6. 王啟明,「敲擊反應於混凝土軸向構件勁度評估之可行性研究」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2006
7. 謝逸儒,「模態曲率應用於混凝土梁損傷檢測之初步研究」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2007
8. 李雅玲,「以敲擊反應進行預力鋼鍵長度評估之初步研究」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2010
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10. Chun-Hsiang Kuo, Kuo-Liang Wen, Hung-Hao Hsieh, Tao-Ming Chang,Che-Min Lin, and Chun-Te Chen,“Evaluating empirical regression equations for Vs and estimating Vs30 in northeastern Taiwan,” Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol.31, Issue 3, pp.431–439, 2011.
11. Ohta Y, and Goto N., “Empirical shear wave velocity equations in terms of characteristic soil indexes,” Earthquake Engineering & Structural Dynamics, Vol.6, Issue 2, pp.167-187, 1978.
12. 潘潔貞,「風力發電機塔柱動態位移記錄之時頻分析」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2015
13. Chih-Hung Chiang, Chih-Peng Yu, “Frequency domain modeling and dynamic characteristics evaluation of existing wind turbine systems,” Nondestructive Characterization and Monitoring of Advanced Materials, Aerospace, and Civil Infrastructure 2016, Volume 9804, 98041G, 2016.
14. 許丁友、林云媚、廖文義,「廣域應變量測應用於大型風機葉片損傷診斷之研究」,中華民國第十三屆結構工程研討會暨第三屆地震工程研討會, Paper No. 1602,2016
15. 曾柏翰、柴駿甫、許丁友、盧恭君,「風機塔柱結構損傷診斷與敏感度分析」,中華民國第十三屆結構工程研討會暨第三屆地震工程研討會,Paper No. 1609,2016
16. 洪卿玲,「基樁型式基礎之應力波波動現象研究」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程所,台中,2000
17. Novek, M., “ Dynamic Stiffness and Damping of Piles ”, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 11, pp. 574-598, 1974.
18. 湘電 Z72 風電機組總體技術說明,中國湘潭電機股份有限公司,
http://www.docin.com/p-52554593.html
19. Rick R. Damiani, Huimin Song, Amy N. Robertson, and Jason M. Jonkman, “Assessing the Importance of Nonlinearities in the Development of a Substructure Model for the Wind Turbine CAE Tool FAST,”NREL, U.S., pp.1-16, 2013
20. 徐明江建築事務所,長新工程顧問有限公司,朝陽科技大學,「大安濱海樂園開發興建工程特殊結構建築物委託檢核審查報告書」,朝陽科技大學,2013
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