海洋风电支撑结构的随机性动力优化设计

【摘要】：海洋风电作为风能开发的装备，其结构动力特性复杂，工作环境恶劣，随机性因素使得其在安装、运输和安全等方面存在诸多挑战。 海洋风电固定式支撑结构是连接泥面以下桩腿和水面以上塔柱及与其相连的风机、叶片的过渡结构，是海洋风电系统的关键部位之一。它支撑整个工作风机的重量并传递其载荷，且承受风、浪、流、地震等载荷。此外，由于风电机组的零部件几乎全部安装在塔架上，一旦发生倾斜倒塌，往往造成整个风电机组的毁灭性损失。因此海洋风电支撑结构研究是海洋风电发展的关键点，亟待细化深入研究。 海洋风电固定式支撑结构主要存在两个问题，一个是成本问题，一个是安全可靠性问题。即在确保结构安全性前提下，对其进行降低成本的优化设计。海洋环境复杂多变，同时支撑结构在材料、尺寸、载荷等方面具有随机性，由此导致设计分析结果的不确定性，因此传统的确定性优化在实际工程存在不足。本研究采用随机性优化设计方法，使得海洋风电支撑结构的设计结果更加安全可靠。 研究基于海洋风电在风、浪、流、地震等载荷作用下的动力随机性优化问题，主要内容如下： 1.海洋环境下风电结构动力分析 分析风电结构在海洋环境下的受载情况。分析海洋风电支撑结构主要载荷：风机对结构作用载荷；风沿塔架的分布载荷；波、浪、流作用载荷；地震波载荷。将复杂载荷组合加载于有限元模型进行动力分析：模态分析确定风电支撑结构的固有频率以避开叶片通过频率和风机频率；时域分析给出了风电支撑结构正常工作时的最大应力、最大位移响应，以及地震载荷作用下的位移响应，并以此作为优化的约束条件；时域分析同时给出了在极端湍流情况下，三个地区，两种海况、两种风机工况组合下总计12种工况下的最大应力、最大位移响应并进行对比分析。 2.三脚架支撑结构的优化模型分析 基于试验设计的方法，采用正交试验进行三脚架支撑结构设计参数的灵敏性分析，确定三脚架优化中权重较大的输入值：水下中心柱的厚度、桩腿直径、桩腿厚度、斜撑直径；采用最优拉丁超立方设计构造近似模型，也就是通过数学模型模拟三脚架结构尺寸参数输入值和结构最大位移、最大应力等输出值之间的关系，用数值计算取代有限元计算，为三脚架支撑结构的优化提供稳定高效的迭代环境。 3.三脚架支撑结构的随机性动力优化设计 探讨了三脚架结构的随机性动力优化设计，采用外部罚函数的数值优化方法和多岛遗传算法的全局搜索方法相结合的方式对三脚架支撑结构进行优化。运用单循环的可靠度优化方法降低了优化迭代次数，所用的优化策略显著提高了运算效率，得到的三脚架优化设计方案在满足一定可靠度的前提下最大限度的降低了支撑结构成本，科学的兼顾了支撑结构经济性和安全性的双重需求，克服了传统的支撑结构确定性优化设计方案可靠度不足的问题。 研究通过对三脚架支撑结构进行有限元建模，给出了结构的力学特性及其动力响应；引入大质量法施加地震载荷，合理的考虑了海洋风电在地震波作用下的响应；通过构造Kriging模型取代有限元模型大大减少优化时间并且提高了优化的稳定性；通过随机动力优化设计研究，充分考虑了由于结构尺寸、材料、环境载荷等随机性因素引起的不确定性，采用可靠度分析和结构优化相结合的方法，兼顾了经济性和安全性的要求，对工程设计具有参考意义。 【关键词】：海洋风电 三脚架支撑结构 动力分析 地震波 试验设计 近似模型 随机性动力优化
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 海洋风电国内外状况10-12
• 1.2 海洋风电的特点12-15
• 1.3 海洋风电固定式支撑结构形式概述15-17
• 1.4 研究目的和研究对象17-18
• 1.5 主要工作18-19
• 1.6 论文框架19-20
• 1.7 研究特色20-21
• 第二章 海洋风电载荷分析21-36
• 2.1 海洋风电载荷分析研究进展21-22
• 2.2 风载荷22-32
• 2.2.1 动量-叶素理论23-24
• 2.2.2 风机设计载荷24-25
• 2.2.3 极端湍流下的风机设计载荷25-32
• 2.2.4 塔柱风载荷32
• 2.3 海洋环境载荷32-34
• 2.4 地震载荷34-35
• 2.4.1 地震波34-35
• 2.4.2 大质量法35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 海洋风电结构动力分析36-50
• 3.1 海洋风电动力分析现状36-37
• 3.2 模型建立37-38
• 3.3 三脚架结构模态分析38-40
• 3.4 三脚架结构的时域响应计算40-42
• 3.5 极端湍流下的突发情况响应分析42-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 海洋风电支撑结构的动力优化模型50-59
• 4.1 试验设计方法50-53
• 4.2 近似模型技术53-55
• 4.3 海洋风电支撑结构的优化模型分析55-58
• 4.3.1 参数敏感性分析55-56
• 4.3.2 Kriging 模型的构造56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 三脚架支撑结构的随机性动力优化设计59-71
• 5.1 海洋风电优化设计的研究进展59-60
• 5.2 随机性优化问题60
• 5.3 优化数值算法60-63
• 5.3.1 外部罚函数算法61
• 5.3.2 多岛遗传算法61-63
• 5.4 可靠度分析方法63-65
• 5.5 随机性优化方法65-67
• 5.6 三脚架支撑结构的随机动力优化设计67-70
• 5.7 本章小结70-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 全文总结71-72
• 6.2 研究展望72-73
• 参考文献73-77
• 附录 1：图片目录77-79
• 附录 2：表格目录79-80
• 致谢80-81
• 学位期间发表/录用的学术论文81-82
• 攻读学位期间参与的科研项目82-84

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