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海上三浮筒式风机基础强度与疲劳寿命分析

发布时间:2018-07-15 21:27
【摘要】:深海海域风能资源较近海区域丰富,而传统近海固定式风机只能适用于近海浅水区域,无法向更深海域发展,因此海上浮式风机的出现为深海风力发电提供了可能。海上浮式风机与海洋平台的不同之处在于浮式风机在正常发电情况下还会受到风轮转动产生的风机载荷的作用。在整个服役期间波浪载荷及风机载荷等引起的交变应力循环次数较高,极易引发浮式基础疲劳损伤,而以往对风机浮式基础疲劳寿命的研究常常忽略或简化风机载荷,与实际情况并不相符,因此开展考虑动态风机载荷和波浪载荷等外载荷共同作用下的浮式基础疲劳寿命研究,对更好的评估海上浮式风机疲劳寿命具有重要意义。本文以某三浮筒式风机基础为研究对象,首先开展了极端环境下风机浮式基础总体强度研究;然后建立三浮筒式风机多体动力学模型对风机整体结构进行了共振分析,并计算风机载荷;在此基础上开展动态风机载荷和波浪载荷等外载荷联合作用下的瞬态响应分析,得到风机浮式基础应力时间历程曲线;最后编制雨流计数程序,并对浮式基础进行疲劳寿命分析。本文的主要研究工作及结论如下:(1)基于长期预报设计波法,开展了极端环境下风机浮式基础总体强度研究,并进行强度校核。结果表明:三浮筒式基础在极端环境下的总体强度满足要求。(2)建立三浮筒式风机多体动力学模型,采用模态分析法对三浮筒式风机整体结构进行了共振分析,并计算了正常发电情况下风机受到的动态风机载荷。结果表明:三浮筒式风机固有频率有效避开了风轮转动频率,不会发生共振;计算所得动态风机载荷为后续瞬态响应分析提供了基础。(3)采用动力学瞬态分析完全法进行风机载荷、波浪载荷、风载荷和流载荷共同作用下的瞬态响应分析,得到浮式基础随时间变化的应力和应变等。结果表明:不同时刻下结构的最大应力出现位置不同,但高应力区域均出现在撑杆与下部浮筒连接处。(4)基于三浮筒式风机基础瞬态响应分析得到的应力时间历程曲线,编制雨流计数程序进行计数,结合S-N曲线和线性疲劳累积损伤理论计算各热点处的疲劳寿命。结果表明:在动态风机载荷、波浪载荷、风载荷和流载荷共同作用下,三浮筒式风机基础各热点处的疲劳损伤值均满足相关要求。
[Abstract]:The resources of wind energy in deep sea area are more abundant than that in offshore area, but the traditional offshore fixed fan can only be used in shallow water area and can not be developed to the deeper sea area, so the emergence of floating fan in the sea provides the possibility for deep sea wind power generation. The difference between the floating fan and the offshore platform is that the floating fan is also affected by the fan load caused by the rotation of the wind wheel in the normal power generation. During the whole service period, wave load and fan load cause high frequency of alternating stress cycle, which can easily lead to fatigue damage of floating foundation. However, previous researches on fatigue life of fan floating foundation often ignore or simplify fan load. Therefore, it is of great significance to study the fatigue life of floating foundation considering the external loads such as dynamic fan load and wave load in order to better evaluate the fatigue life of offshore floating fan. Taking the foundation of a three-buoy fan as the research object, this paper firstly studies the overall strength of the floating foundation of the fan in extreme environment, and then establishes a multi-body dynamic model of the three-buoy fan to carry out resonance analysis on the overall structure of the fan. On this basis, the transient response analysis under the combined action of dynamic fan load and wave load is carried out, and the stress time history curve of fan floating foundation is obtained. Finally, a rain flow counting program is compiled. The fatigue life of floating foundation is analyzed. The main work and conclusions of this paper are as follows: (1) based on the design wave method of long term prediction, the overall strength of floating foundation of fan in extreme environment is studied, and the strength is checked. The results show that the overall strength of the three-buoy foundation meets the requirements in extreme environment. (2) the multi-body dynamic model of the three-buoy fan is established, and the resonance analysis of the overall structure of the three-buoy fan is carried out by using modal analysis method. The dynamic load of fan under normal power generation is calculated. The results show that the natural frequency of the three-buoy fan effectively avoids the rotating frequency of the wind wheel and does not resonate. The calculated dynamic fan load provides the basis for the subsequent transient response analysis. (3) the transient response analysis of fan load, wave load, wind load and current load is carried out by using the complete dynamic transient analysis method. The stress and strain of floating foundation with time are obtained. The results show that the position of the maximum stress of the structure is different at different times, but the high stress region appears at the connection between the brace and the lower buoy. (4) based on the transient response analysis of the foundation of the three-buoy fan, the stress time history curve is obtained. The rain flow counting program is compiled to calculate the fatigue life of hot spots by combining S-N curve and linear fatigue cumulative damage theory. The results show that under the combined action of dynamic fan load, wave load, wind load and current load, the fatigue damage values of each hot spot in the foundation of the three-buoy fan can meet the relevant requirements.
【学位授予单位】:江苏科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU476;TM614

【参考文献】

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本文编号:2125432

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