海上风电机组四桩导管架支撑结构的动力响应分析

【摘要】：海上风力发电作为一项绿色环保产业，发展的同时也伴随着越来越多的工程实际问题。因此，对海上风力发电结构体系进行系统地环境荷载作用下的动力响应分析研究具有十分重要的参考价值和工程意义。 风、浪荷载是复杂的海上环境荷载中两个重要的组成部分，当其作用在海上风电结构上时会产生比较大的影响。因而首先合理地确定海上风、浪荷载的形式及大小对准确地模拟海上风力发电结构的受力情况至关重要。在此基础上，再针对工程实际问题分析计算海上风力发电结构在环境荷载作用下的动力响应，完成海上风电结构的安全评估。 本文依托珠海桂山某海域的实际工程，根据实测数据和工况条件，对海上风力发电机组四桩导管架支撑结构在风、浪荷载作用下进行动力响应分析研究。具体工作包括： 首先选用Stokes五阶波理论，采用Morison公式模拟波浪海流在顺流向对支撑结构导管架部分的作用力。计算针对不同波高和流速海况下波浪以最大作用力方式作用于结构物的相位角，将结果作为用ANSYS软件对结构进行静力分析时的输入条件。求解找到结构出现最大应力部位，并观察不同相位角的取值对波流荷载作用于支撑结构的影响。 之后采用线性滤波法，基于Davenport谱用MATLAB软件编程对实际研究海域的脉动风进行模拟，比较计算谱与目标谱。将脉动风速时程叠加平均风速得到瞬时风速。将80m高支撑结构塔筒部分均分为20段，利用风压转换公式把瞬时风速时程转换成作用在塔筒部分的风荷载时程。 最后利用有限元法对用非线性弹簧单元模拟桩基与海底土作用关系的海上风力发电机组四桩导管架支撑结构进行模态分析；分别将风、浪荷载单独加载到支撑结构的有限元模型上，用ANSYS对结构瞬态动力分析，比较承受两种不同荷载的支撑结构节点位移和单元应力；将风、浪荷载联合施加在支撑结构有限元模型上，经过瞬态动力计算得到支撑结构位移最大处的位移时程，以及应力最大处的应力时程，分析比较单独荷载作用下与联合荷载作用下支撑结构的动力响应。 本文主要通过对风、浪荷载单独作用下支撑结构的动力响应分析，锁定结构产生位移最大部位和应力最大部位。将两种荷载作用下的结果进行比较，确定所研究海上风力发电支撑结构在当地海域的主要控制环境荷载。对风、浪荷载联合作用下的支撑结构动力分析，通过观察最大位移处的位移时程，为支撑结构在环境荷载相互耦合作用下进行动力分析提供依据，近而为海上风力发电机组四桩导管架支撑结构在复杂海洋环境荷载作用下的设计提供一些有工程应用参考价值的分析结论。 【关键词】：海上风力发电机组 支撑结构 波浪荷载 风荷载 脉动风速 动力响应
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315;TU311.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 研究背景和意义11-13
• 1.2 海上风机结构13-17
• 1.3 国内外研究现状17-21
• 1.3.1 海上风力发电机组支撑结构所受荷载18-19
• 1.3.2 风力发电系统模态研究19
• 1.3.3 风荷载作用下支撑结构的动力响应研究19-20
• 1.3.4 疲劳评估方法20-21
• 1.4 本文主要工作21-22
• 2 海上风力发电支撑结构形式及特点22-31
• 2.1 重力式基础23-24
• 2.2 单桩基础24
• 2.3 三桩基础24-25
• 2.4 导管架基础25-27
• 2.5 多桩承台基础27
• 2.6 浮式结构基础27-28
• 2.7 不同基础形式的优缺点对比28-31
• 3 支撑结构所受波浪荷载的数值模拟31-45
• 3.1 小振幅波（线性波）理论31-32
• 3.2. Stokes 波理论32-33
• 3.3 椭圆余弦波理论33-34
• 3.4 孤立波理论34-35
• 3.5 波浪力计算方法35-38
• 3.5.1 小尺度结构物上的波浪力35-37
• 3.5.2 大尺度结构物上的波浪力37-38
• 3.6 波浪荷载的模拟及四种工况波浪相位角搜索38-45
• 4 近海风机随机风场的时程模拟45-58
• 4.1 风的特性45
• 4.2 平均风速45-47
• 4.3 脉动风速47-49
• 4.4 脉动风速场的数学模拟方法49-53
• 4.4.1 谐波合成法49-50
• 4.4.2 线性滤波法50-53
• 4.5 海上风电支撑结构随机风场的时程模拟53-58
• 5 风、浪作用下四桩导管架支撑结构的动力响应58-84
• 5.1 建立海上风电支撑结构的 ANSYS 有限元分析模型61-65
• 5.1.1 单元类型61-64
• 5.1.2 边界约束64-65
• 5.2 海上风电机组四桩导管架支撑结构的模态分析65-70
• 5.2.1 模态分析原理66-67
• 5.2.2 计算结果分析67-70
• 5.3 海上风电机组四桩导管架支撑结构在风、浪荷载作用下的动力响应分析70-84
• 5.3.1 四桩导管架支撑结构在随机风荷载单独作用下的动力响应72-76
• 5.3.2 四桩导管架支撑结构在波浪荷载作用下的结构动力响应分析76-80
• 5.3.3 四桩导管架支撑结构在风、浪荷载联合作用下的动力响应分析80-84
• 6 结论与展望84-86
• 6.1 结论84
• 6.2 展望84-86
• 参考文献86-88
• 致谢88-90
• 个人简历90
• 发表的学术成果90-91

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