特定海区海上风电单立柱结构动力耦合特性研究

【摘要】： 当今世界,随着全球人口数量的膨胀和社会经济的发展,世界能耗的增长,化石能源日趋匮乏和枯竭,能源开发导致的环境污染问题日益突出。因此,改善能源结构,利用新能源和可再生能源,已成为世界各国关注的热点。风能作为一种洁净无污染的可再生能源,对于改善能源结构,保护生态环境都有着深远的意义。从理论上讲,地球上1%的风能就能满足全世界的能源需求。风力发电是目前利用风能的重要形式,也是多种可再生能源利用技术中比较成熟的。如今,大型风电场正从陆地向海上发展,因为海洋风资源丰富,不占用土地,机位选择空间大有利于选择场地,受环境制约少,且海上风速高、湍流强度小、风电机组发电量多、风能利用更加充分,其能量收益比沿海风资源丰富地区陆地风机高 20%—40%。对于我国来说,拥有东部沿海水深50m以内的海域面积辽阔,而且距离电力负荷中心(沿海经济发达电力紧缺区)很近,随着海上风电场技术的发展成熟,风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源来源。但是风电机组的基础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已经成为海上风电场研究开发的主要课题。 本论文主要讨论了特定海区1.5MW风电单立柱基础结构的动力和静力特性。首先论述了海上风电机组单立柱基础结构是负有动力机械荷载即风机的海洋结构物,因为风机自身的激励频率接近于风电结构的自振频率,所以海上风电机组单立柱结构不仅要考虑海洋环境荷载的影响因素,更重要的是合理计算风机的启动,停转,正常运行等工况下所产生的荷载。本文选择模拟桩-土相互作用良好的SESAM软件来建立有限元模型,计算结构在极端环境荷载下的静强度和屈曲,运用API规范中的工作应力法来校核结构的刚度、强度和稳定性。建立动力分析ANSYS有限元模型,利用集中质量单元来模拟风机和设备荷载,利用等效桩的处理方法来模拟桩—土相互作用。选择了Block-Lanczos方法来完成对结构的自振特性分析,验证是否合理的避开风机的共振频率。最后,对渤海海区环境海上风电单立柱结构的极端工况和操作工况的动力耦合分析,所得数据表明,有海冰参与的环境荷载比没有海冰参与的环境荷载其最大位移和最大等效应力有较大的变化,并且在极限风荷载情况下风机停转时,风机仍然对结构的有较大影响。 海上风电基础结构形式的研究直接影响海上风电机组的发展速度,是一个有着长期价值的研究领域。目前可以通过分析单立柱结构在不同动力荷载作用下的动力响应特性和不同动力源的动力耦合特征,提出风机荷载是关键的影响因素,要着重进行考虑。该研究不仅为其他基础结构提供了借鉴的价值,而且为海上风电结构的施工和安装提供更为准确的信息。 【关键词】：风力发电 单立柱 有限元 荷载 动力分析
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 绪论11-22
• 0.1 背景11-13
• 0.2 风力发电发展现状概述13-15
• 0.2.1 国外研究现状13-14
• 0.2.2 国内研究现状14-15
• 0.3 海上风电机组基础结构形式概述15-17
• 0.4 国内外海洋结构研究的内容和方法17-19
• 0.5 本论文的研究意义和价值19-20
• 0.6 本论文的研究内容与完成的工作20-22
• 第一章 单立柱基础结构静力分析22-34
• 1.1 平台结构静强度的意义22
• 1.2 平台静力分析荷载计算22-27
• 1.3 结构静强度分析模型的建立27-29
• 1.4 静力加载及分析29-34
• 第二章 单立柱结构稳定性分析34-40
• 2.1 引言34
• 2.2 结构的稳定性校核34-36
• 2.3 结构的稳定性分析结果36-39
• 2.4 小结39-40
• 第三章 动力分析ANSYS 有限元模型40-50
• 3.1 有限元方法的应用40-42
• 3.2 结构动力分析有限元模型的建立以及使用单元特性42-47
• 3.3 边界条件的确定47-48
• 3.4 载荷施加简化与ANSYS 模型建立48-50
• 第四章 单立柱结构动力特性分析50-56
• 4.1 引言50-51
• 4.2 单立柱结构模态分析51-56
• 第五章 单立柱结构动力分析荷载计算56-63
• 5.1 极限状态风荷载56-58
• 5.2 正常运行风机载荷58-59
• 5.3 浪、流荷载59-60
• 5.4 冰载荷60-63
• 第六章 单立柱结构的动力耦合分析63-73
• 6.1 数值模型的建立63
• 6.2 极端环境荷载下的动力耦合工况及结果63-69
• 6.3 风机正常运转下的工况69-72
• 6.4 结果分析72-73
• 第七章 结论与展望73-75
• 7.1 结论73-74
• 7.2 展望74-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 个人简历79
• 发表的学术论文79

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