近海风电基础流固耦合三维动力响应分析

【摘要】：随着能源的枯竭、环境的恶化,清洁无污染的可再生能源就成为各国争相研究与应用的焦点。而风能是目前发展较为成熟的一种新型能源,已经逐渐在新能源产业中起到了领军作用。我国拥有漫长的海岸线,近海风能资源丰富,用电负荷中心又大多集中于东部沿海地区,海上风能必将成为我国今后可持续发展的主要能源之一。风电机组的基础关乎整个风机运行的安全,而且又被认为是造成海上风电成本较高的因素之一,大力发展比较经济的基础结构是海上风电场研究开发的主要课题。海上风电机组基础结构的设计要考虑海床的地质结构情况、离岸距离、海上风、浪载荷特性以及海流、冰等的影响。 本论文就以江苏盐城响水风电场建设项目为依托,采用数值分析的手段,利用大型通用软件ADINA进行模拟,选用适合实际工程的材料本构模型,建立风机、基础、水、海床的三维计算模型,分析风电基础整体结构的静力以及考虑流固耦合的动力响应,考虑采用简谐循环荷载等效替代近海风电场风、波浪和水流等复杂动力荷载的方法,为工程设计提供必要依据。 本论文主要成果有: (1)建立近海风机单桩基础三维有限元模型,进行无水层与考虑水为势流体时结构的模态分析,得到结构的自振频率和振型。水层显著减小了结构的高阶频率,同时也就增大了低阶频率的范围,增大了结构的危害程度。所以,对结构进行动力耦合频域分析是非常必要的。通过验算本文1.5MW风机单桩基础时能够避开叶轮旋转激励频率1P和3P一定范围,满足工程要求。 (2)对单桩基础模型进行静力分析可知,结构竖向沉降量最大值为0.35m,出现在桩体附近的淤泥层,桩与塔身的沉降量沿高度方向近似呈线性减小,变化范围在0.005m~0.032m,均很小,对结构稳定性无影响;风力荷载是影响风机水平位移的主要响应源,对结构沉降影响不大。桩与塔身的沉降与顺风向水平位移均很小,对结构稳定性无影响。 (3)通过单桩基础风机结构、水流的动力耦合分析,加载周期水流速度荷载,在软弱的淤泥层出现较大位移,其中耦合模型的沉降量90%发生在第一个半周期,耦合模型中桩、塔身沿高度的沉降曲线形状与静力结果相同,但是整体位置发生了变化。从淤泥层往上,桩体、塔身均不发生沉降,相反会向上抬升,主要是因为风荷载与水流动力荷载耦合作用导致;当水流荷载与风荷载方向相同时,耦合模型的水平位移发展明显,周期内其他时间位移发展缓慢。相对土体,塔身迎风面和背风面应力较大。 (4)建立近海风机四桩基础三维有限元模型,进行无水层与考虑水为势流体时结构的模态分析,得到结构的自振频率和振型,验算后可知四桩基础时风机仍然能避开叶轮旋转激励频率1P和3P一定范围。同时,对比添加水层为势流体前后结构的自振频率可知,水层显著降低了结构的高阶频率。四桩基础结构的自振频率,即第一阶和第二阶频率,较单桩基础有所提高,由于动力荷载的频率一般偏小,故有利于避开动力荷载的频率。 (5)对四桩基础风机结构进行静力分析可知,与单桩基础类似,风荷载对沉降影响较小,仍然为结构产生水平位移的主要响应源,同时量值有所减少,说明四桩基础的静力承载力较单桩基础高,有利于风机稳定性。 (6)加载与单桩基础相同的周期水流速度荷载后,对结构、水流的动力耦合分析,结果类似单桩基础,淤泥层最外边缘存在最大沉降,且其沉降主要发生于第一个半周期。桩、塔身总体沉降量均非常小,均对结构不构成威胁。其中,迎风面位置桩的沉降均小于背风面位置桩同高度处的沉降量,单根桩内部其顶部沉降量较底部要大,对于塔身,沉降量沿高度方向呈减小趋势,在顶部存在略微波动;水平位移在加速度由最小峰值向最大峰值发展时增大明显,周期内其他时间增大平缓些。四桩基础的应力分布整体较单桩基础时要小,有利于结构稳定。 (7)综合分析静力、动力分析结果可知,对于风机结构这类存在动力荷载的结构,必须进行动力耦合计算,以验证结构的稳定性;对比单桩与四桩基础,沉降特性、水平位移、应力以及塑性区等方面规律非常类似,在不计算生产与建设成本时,四桩基础显然较单桩基础要好。 【关键词】：风电场 桩基础 有限元 荷载 流固耦合
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU435
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景12-16
• 1.1.1 与陆上风电场相比，海上风电具有的优点13
• 1.1.2 国外风电发展概况13-14
• 1.1.3 国内风电发展概况14-16
• 1.2 研究现状16-18
• 1.3 本论文研究内容18-19
• 第二章 海上风机基础19-28
• 2.1 海上风电机组基础的形式19-23
• 2.1.1 单桩基础19-20
• 2.1.2 重力式基础20
• 2.1.3 三脚架基础20-21
• 2.1.4 四脚架基础21
• 2.1.5 多桩基础21
• 2.1.6 浮式基础21-22
• 2.1.7 导管架式基础22-23
• 2.1.8 吸力式基础23
• 2.2 海上风机基础类型选址、选型的影响因素23-24
• 2.2.1 场址选择需考虑的因素23
• 2.2.2 基础类型选型的影响因素23-24
• 2.2.3 基础类型详细设计需注意事项24
• 2.3 海上风机基础防腐蚀、防冲刷设计24-25
• 2.3.1 防腐蚀设计24
• 2.3.2 防冲刷设计24-25
• 2.4 桩基承载力研究现状及水平25-27
• 2.4.1 竖向荷载下基桩的研究现状25-26
• 2.4.2 横向荷载下基桩的研究现状26-27
• 2.4.3 复合荷载下基桩的研究现状27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 有限元数值分析28-39
• 3.1 有限元方法的发展28-29
• 3.2 有限元分析软件ADINA29-34
• 3.2.1 ADINA 的特点29-30
• 3.2.2 材料本构模型30-33
• 3.2.3 ADINA 的流固耦合分析以及势流体33-34
• 3.3 建立有限元三维模型34-35
• 3.4 荷载分析35-37
• 3.4.1 风荷载35-36
• 3.4.2 水流荷载36-37
• 3.5 模态分析37-38
• 3.6 本章小结38-39
• 第四章 近海风机单桩基础的有限元分析39-53
• 4.1 有限元模型39-40
• 4.2 模态分析40-45
• 4.2.1 结构自振模态分析40-42
• 4.2.2 考虑水为势流体时结构的模态分析42-45
• 4.3 静力分析45-47
• 4.3.1 沉降特性45-46
• 4.3.2 水平位移分析46-47
• 4.4 动力耦合分析47-52
• 4.4.1 沉降特性48-49
• 4.4.2 水平位移分析49-51
• 4.4.3 应力分析51
• 4.4.4 塑性区51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 近海风机四桩基础的有限元分析53-68
• 5.1 有限元模型53-54
• 5.2 模态分析54-58
• 5.2.1 结构自振模态分析54-56
• 5.2.2 考虑水为势流体时结构的模态分析56-58
• 5.3 静力分析58-61
• 5.3.1 沉降特性58-60
• 5.3.2 水平位移分析60-61
• 5.4 动力耦合分析61-66
• 5.4.1 沉降特性62-64
• 5.4.2 水平位移分析64-65
• 5.4.3 应力分析65-66
• 5.4.4 塑性区66
• 5.5 本章小结66-68
• 第六章 结论与展望68-70
• 6.1 结论68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-73
• 致谢73-74
• 作者简介74

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