基于耦合模型的海上风机基础结构疲劳分析
发布时间：2021-10-17 01:33
海上风能作为我国应对能源和环境挑战、实施低碳能源战略的重要组成部分,近年来得到了国家的大力支持。海上风电场规划建设面临的复杂环境条件,将成为海上风机结构设计的严峻挑战。现阶段,固定式海上风机基础结构设计和校核多采用半整体方法。该方法无法充分考虑海洋环境荷载、风机运行控制策略以及风机结构反应之间的耦合效应,比如风机气动阻尼效应对于波浪荷载作用下海上风机基础结构反应的影响、波浪荷载和基础结构运动对于上部空气动力荷载的影响。针对目前海上风机设计方法的不足,本文基于海上风机整体耦合模型,充分考虑环境荷载耦合效应对于基础结构疲劳应力时程的影响,以我国某海域规划海上风电场实测海洋环境为背景,开展了随机风浪作用下海上风机疲劳反应分析。通过与传统设计方法的对比,验证了整体耦合分析方法在固定式海上风机疲劳极限状态安全评价中的应用价值。本文开展的主要研究包括:（1）基于NREL 5MW基准风机和我国某海域实际5MW海上风机设计得到本次研究的样本风机。（2）建立包含气弹-伺服-水动-弹性的样本风机整体耦合模型,验证环境荷载耦合效应对于结构反应的影响。（3）开展随机风场作用下样本风机基础结构疲劳反应分析,系统...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 风浪作用下海上风机动力反应分析
1.2.2 海上风机耦合效应研究
1.2.3 海上风机结构疲劳分析
1.3 研究目标及研究方案
2 样本风机设计及环境荷载参数
2.1 样本风机设计
2.1.1 NREL5MW基准风机结构参数
2.1.2 样本风机结构参数
2.2 环境荷载模型
2.2.1 随机风场模型
2.2.2 空气动力荷载计算基本理论
2.2.3 波浪荷载基本理论
2.3 环境荷载参数及设计组合工况
2.3.1 环境荷载参数
2.3.2 设计组合工况
2.4 本章小结
3 样本风机整体耦合动力反应分析
3.1 样本风机整体耦合模型
3.1.1 整体结构运动方程
3.1.2 耦合反应分析流程
3.2 样本风机整体结构动力特性研究
3.3 样本风机整体耦合动力反应分析
3.3.1 稳态风浪作用工况
3.3.2 随机风浪作用工况
3.4 本章小结
4 海上风机时域疲劳分析影响参数研究
4.1 海上风机时域疲劳累积计算方法
4.1.1 FAST-SACS联合分析接口
4.1.2 雨流计数法
4.1.3 S-N曲线
4.1.4 疲劳累积准则
4.2 随机风场作用下疲劳累积影响参数研究
4.2.1 初始反应时长影响
4.2.2 计算步长影响
4.2.3 随机种子数量影响
4.3 本章小结
5 海上风机整体耦合与半整体疲劳分析模型对比
5.1 样本风机半整体模型
5.1.1 结构运动方程
5.1.2 Craig-Bampton缩聚方法
5.1.3 半整体模型分析流程
5.2 整体耦合模型和半整体模型对比
5.2.1 随机风速时程
5.2.2 半整体和整体模型风机荷载对比
5.2.3 整体耦合和半整体模型基础结构内力对比
5.3 基础结构杆件疲劳损伤计算
5.4 本章小结
6 海上风机时域疲劳分析耦合效应研究
6.1 研究方法
6.1.1 Mlife简介
6.1.2 基于整体耦合模型的时域疲劳计算方案
6.2 基于整体耦合模型的时域疲劳分析
6.2.1 环境荷载耦合效应影响研究
6.2.2 风浪联合作用方向影响研究
6.3 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]张力腿式浮式风机耦合动力响应理论模型与数值实现[J]. 叶江舟,胡志强,王晋. 海洋工程. 2018(02)
[2]海上风机基础结构全寿命期静动力特性有限元分析[J]. 李颖,喻旭明,王滨,朱彬彬,张杰. 水力发电. 2018(01)
[3]冰区海上风机的动力响应及疲劳分析[J]. 张毅,马永亮,曲先强,韩超帅. 舰船科学技术. 2018(01)
[4]海上风机在三种风载荷作用下的疲劳分析方法研究（英文）[J]. 韩超帅,马永亮,曲先强,张猛. 船舶力学. 2017(12)
[5]海上浮式风机气动力-水动力耦合分析研究进展[J]. 万德成,程萍,黄扬,艾勇. 力学季刊. 2017(03)
[6]海上风机支撑结构的频域疲劳评估方法研究[J]. 秦培江,马永亮,韩超帅,曲先强. 浙江大学学报(工学版). 2017(09)
[7]10MW级海上浮式风机运动特性研究[J]. 徐应瑜,胡志强,刘格梁. 海洋工程. 2017(03)
[8]海上风机支撑结构的时域和频域疲劳对比研究[J]. 王德如,杨和振. 舰船科学技术. 2017(07)
[9]可再生能源发展“十三五”规划[J]. 太阳能. 2017(01)
[10]基于谱分析的海上风机三桩基础疲劳分析[J]. 于海鹏,陈兵. 中国水运(下半月). 2016(03)
博士论文
[1]近海风机结构体系环境荷载及动力响应研究[D]. 陈小波.大连理工大学 2011
硕士论文
[1]风浪作用下海上风机单桩基础动力学与疲劳分析[D]. 樊惠燕.哈尔滨工业大学 2016
[2]冰区海上升压站整体结构安全评价[D]. 左晶晶.大连理工大学 2016
[3]海上张力腿式风机支撑结构疲劳寿命分析[D]. 刘畅.江苏科技大学 2016
[4]多荷载耦合作用下近海风机桩基础疲劳分析[D]. 赵茂川.重庆交通大学 2014
[5]波浪荷载作用下海上风机桩基基础与上部结构的动力响应研究[D]. 胡丹妮.重庆交通大学 2014
[6]海上风机基础结构管节点应力集中系数研究[D]. 李娜.大连理工大学 2014
[7]海上风机三脚架基础结构分析[D]. 明小燕.大连理工大学 2013
[8]海上风机基础在风浪作用下的动力分析与疲劳分析[D]. 夏露.大连理工大学 2012
[9]大型海上风机结构系统的动力特性研究[D]. 丁明华.大连理工大学 2011
[10]海上风电单立柱三桩结构动力耦合分析及优化设计研究[D]. 王鹏.中国海洋大学 2011
本文编号：3440865
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 风浪作用下海上风机动力反应分析
1.2.2 海上风机耦合效应研究
1.2.3 海上风机结构疲劳分析
1.3 研究目标及研究方案
2 样本风机设计及环境荷载参数
2.1 样本风机设计
2.1.1 NREL5MW基准风机结构参数
2.1.2 样本风机结构参数
2.2 环境荷载模型
2.2.1 随机风场模型
2.2.2 空气动力荷载计算基本理论
2.2.3 波浪荷载基本理论
2.3 环境荷载参数及设计组合工况
2.3.1 环境荷载参数
2.3.2 设计组合工况
2.4 本章小结
3 样本风机整体耦合动力反应分析
3.1 样本风机整体耦合模型
3.1.1 整体结构运动方程
3.1.2 耦合反应分析流程
3.2 样本风机整体结构动力特性研究
3.3 样本风机整体耦合动力反应分析
3.3.1 稳态风浪作用工况
3.3.2 随机风浪作用工况
3.4 本章小结
4 海上风机时域疲劳分析影响参数研究
4.1 海上风机时域疲劳累积计算方法
4.1.1 FAST-SACS联合分析接口
4.1.2 雨流计数法
4.1.3 S-N曲线
4.1.4 疲劳累积准则
4.2 随机风场作用下疲劳累积影响参数研究
4.2.1 初始反应时长影响
4.2.2 计算步长影响
4.2.3 随机种子数量影响
4.3 本章小结
5 海上风机整体耦合与半整体疲劳分析模型对比
5.1 样本风机半整体模型
5.1.1 结构运动方程
5.1.2 Craig-Bampton缩聚方法
5.1.3 半整体模型分析流程
5.2 整体耦合模型和半整体模型对比
5.2.1 随机风速时程
5.2.2 半整体和整体模型风机荷载对比
5.2.3 整体耦合和半整体模型基础结构内力对比
5.3 基础结构杆件疲劳损伤计算
5.4 本章小结
6 海上风机时域疲劳分析耦合效应研究
6.1 研究方法
6.1.1 Mlife简介
6.1.2 基于整体耦合模型的时域疲劳计算方案
6.2 基于整体耦合模型的时域疲劳分析
6.2.1 环境荷载耦合效应影响研究
6.2.2 风浪联合作用方向影响研究
6.3 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]张力腿式浮式风机耦合动力响应理论模型与数值实现[J]. 叶江舟,胡志强,王晋. 海洋工程. 2018(02)
[2]海上风机基础结构全寿命期静动力特性有限元分析[J]. 李颖,喻旭明,王滨,朱彬彬,张杰. 水力发电. 2018(01)
[3]冰区海上风机的动力响应及疲劳分析[J]. 张毅,马永亮,曲先强,韩超帅. 舰船科学技术. 2018(01)
[4]海上风机在三种风载荷作用下的疲劳分析方法研究（英文）[J]. 韩超帅,马永亮,曲先强,张猛. 船舶力学. 2017(12)
[5]海上浮式风机气动力-水动力耦合分析研究进展[J]. 万德成,程萍,黄扬,艾勇. 力学季刊. 2017(03)
[6]海上风机支撑结构的频域疲劳评估方法研究[J]. 秦培江,马永亮,韩超帅,曲先强. 浙江大学学报(工学版). 2017(09)
[7]10MW级海上浮式风机运动特性研究[J]. 徐应瑜,胡志强,刘格梁. 海洋工程. 2017(03)
[8]海上风机支撑结构的时域和频域疲劳对比研究[J]. 王德如,杨和振. 舰船科学技术. 2017(07)
[9]可再生能源发展“十三五”规划[J]. 太阳能. 2017(01)
[10]基于谱分析的海上风机三桩基础疲劳分析[J]. 于海鹏,陈兵. 中国水运(下半月). 2016(03)
博士论文
[1]近海风机结构体系环境荷载及动力响应研究[D]. 陈小波.大连理工大学 2011
硕士论文
[1]风浪作用下海上风机单桩基础动力学与疲劳分析[D]. 樊惠燕.哈尔滨工业大学 2016
[2]冰区海上升压站整体结构安全评价[D]. 左晶晶.大连理工大学 2016
[3]海上张力腿式风机支撑结构疲劳寿命分析[D]. 刘畅.江苏科技大学 2016
[4]多荷载耦合作用下近海风机桩基础疲劳分析[D]. 赵茂川.重庆交通大学 2014
[5]波浪荷载作用下海上风机桩基基础与上部结构的动力响应研究[D]. 胡丹妮.重庆交通大学 2014
[6]海上风机基础结构管节点应力集中系数研究[D]. 李娜.大连理工大学 2014
[7]海上风机三脚架基础结构分析[D]. 明小燕.大连理工大学 2013
[8]海上风机基础在风浪作用下的动力分析与疲劳分析[D]. 夏露.大连理工大学 2012
[9]大型海上风机结构系统的动力特性研究[D]. 丁明华.大连理工大学 2011
[10]海上风电单立柱三桩结构动力耦合分析及优化设计研究[D]. 王鹏.中国海洋大学 2011
本文编号：3440865
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