基于全局耦合响应的三浮筒半潜式风机基础的动力响应及疲劳分析

发布时间：2020-11-12 23:18

　　 与陆地风电相比,海上风电可规避陆上发展空间的限制,不占用土地资源,不受地形地貌影响,又由于深海海域的风能较近海海域丰富,具有较大的发展空间,因此适用于深海海域的底部漂浮式风机更受人们的青睐。海上浮式风机在服役期间会受到风浪载荷耦合作用的影响,并且海上环境瞬息万变,研究不同风浪组合对浮式风机敏感性的影响对于实际应用具有较大参考价值,同时对其浮式基础疲劳损伤的研究也是十分必要的。浮式风机是一个由多部分组成的多体系统,如锚链、浮筒、塔柱、叶片和机箱等,各个组成部分之间存在相互作用,同时风和波浪载荷等作用在风机系统上,对浮式风机的运动受力产生影响时;风机的运动同样会对风载荷产生影响。因此浮式风机可以视为一个整体耦合系统,需要用全局耦合理论进行分析。本文以OC4-DeepCwind三浮筒半潜式风机作为研究对象,首先对其固有特性进行验证,同时基于实验数据和FAST程序的预报结果,对预报方法进行了验证;研究了风浪耦合效应对其水动力响应的影响;然后通过改变施加在风机上的风、波浪载荷的相关参数,研究浮式风机对于环境载荷的敏感性;最后根据S-N曲线和疲劳累积损伤理论对其支撑结构的横撑部分进行疲劳损伤分析。本文主要研究内容及相关结论如下:(1)基于全局耦合响应建立了海上三浮筒半潜式风机的多体耦合水动力模型,对其进行固有特性验证和预报方法验证,确保可行性;同时通过风、波浪载荷分别加载和风浪同时加载的模拟结果对比来分析风浪耦合效应。结果表明:该模型模拟所得计算结果与实验结果较为相近,因此具有一定的可靠性;风机所受推力受风浪耦合作用和风单独作用的影响差距并不大但锚链轴向力随波浪作用影响较大,在波浪载荷较小的情况下风浪耦合作用对锚链受力影响和浮式基础运动较波浪单独作用时更大。(2)通过改变风浪载荷的不同组合形式对三浮筒半潜式风机模型受环境载荷敏感性进行分析,计算结果表明:缩小浮筒间距会增大浮筒间弯矩,但会缩小锚链轴向力并增加浮式基础稳定性,不同风浪载荷的组合形式对浮式基础运动和受力具有不同的影响。(3)基于DNV(DNV-OS-J103浮式风机结构设计)和IEC(国际标准-海上风机设计规范),根据S-N曲线和线性疲劳累积损伤理论,分析了浮式基础横撑疲劳损伤,并通过改变横撑结构研究浮式基础疲劳损伤变化情况,结果表明:该浮式基础中与风浪方向同向的斜横撑所受疲劳值最大,在一定小范围内改变横撑的壁厚和直径可以有效降低横撑所受疲劳损伤大小。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM614;TU476
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 海上风电机组支撑结构形式发展现状
        1.2.2 海上风电发展现状及趋势
        1.2.3 海上浮式风机动力响应国内外研究现状
        1.2.4 海上浮式风机疲劳国内外研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 海洋环境载荷及三浮筒半潜式风机运动理论
    2.1 风载荷的描述和计算
        2.1.1 风速的描述
        2.1.2 塔柱和浮式基础的风载荷
        2.1.3 三浮筒半潜式风机的风载荷
    2.2 波流载荷计算理论
        2.2.1 势流理论
        2.2.2 莫里森理论
    2.3 三浮筒半潜式风机系统运动理论
        2.3.1 浮式基础运动方程
        2.3.2 柔性构件运动方程
        2.3.3 全局耦合运动方程及数值方法
    2.4 本章小结
第3章 三浮筒半潜式风机系统及风浪耦合效应分析
    3.1 三浮筒半潜式风机耦合系统参数
        3.1.1 三浮筒半潜式风机及塔架参数
        3.1.2 三浮筒半潜式风机基础基本参数
    3.2 浮式基础频域水动力分析
        3.2.1 计算模型的建立
        3.2.2 浮式基础频域水动力分析
    3.3 三浮筒半潜式风机全局耦合系统数值模型验证
        3.3.1 自由衰减运动分析
        3.3.2 单独风载荷和波浪载荷作用下的运动响应
    3.4 风浪载荷耦合效应分析
        3.4.1 三浮筒半潜式风机与固定式风机的响应特性比较
        3.4.2 海况1下的耦合效应分析
        3.4.3 海况2下的耦合效应分析
    3.5 本章小结
第4章 基于全局耦合响应的三浮筒半潜式风机基础动力响应敏感性分析
    4.1 基于全局耦合响应的不同浮筒间距下浮式基础的动力响应分析
        4.1.1 不同浮筒间距下各横撑所受弯矩大小变化
        4.1.2 不同浮筒间距下浮式基础运动变化
        4.1.3 不同浮筒间距下锚链顶端张力的变化
    4.2 基于全局耦合响应的不同风浪方向下浮式基础动力响应分析
        4.2.1 不同风浪方向下横撑弯矩的变化
        4.2.2 不同风浪方向下浮式基础运动的变化
        4.2.3 不同风浪方向下锚链顶端张力的变化
    4.3 基于全局耦合响应的不同风浪组合下浮式基础动力响应分析
        4.3.1 不同风速下浮式基础动力响应对比分析
        4.3.2 风浪方向错位下浮式基础动力响应对比分析
        4.3.3 不同谱峰周期下浮式基础动力响应对比分析
    4.4 本章小结
第5章 基于全局耦合响应的三浮筒半潜式风机基础疲劳损伤分析
    5.1 结构疲劳破坏
        5.1.1 疲劳基本概念
        5.1.2 疲劳裂纹生成、扩展机理
    5.2 疲劳分析方法
        5.2.1 雨流计数法
        5.2.2 S-N曲线和疲劳设计因子
        5.2.3 Miner疲劳累积损伤理论
    5.3 疲劳工况选取
    5.4 疲劳热点选取
    5.5 风浪联合作用下疲劳分析
        5.5.1 各横撑疲劳损伤对比
        5.5.2 疲劳损伤随风速变化
        5.5.3 改变结构对疲劳损伤的影响
    5.6 不同叠加方法的疲劳损伤比较
    5.7 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 本文总结
    6.2 研究工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢
论文摘要

【参考文献】

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1 闫发锁;张成祥;杨慧;彭成;;浮式风机系统水-气动力耦合分析方法[J];上海交通大学学报;2014年04期

2 盛振国;任慧龙;甄春博;王永岐;;基于时域载荷的海上风机基础结构疲劳分析[J];华中科技大学学报(自然科学版);2014年04期

3 唐友刚;王涵;陶海成;刘中柏;;海上风机半潜型浮式基础结构设计及整体强度分析[J];中国造船;2013年03期

4 刘胜祥;李德源;黄小华;;风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析[J];太阳能学报;2009年10期

本文编号：2881367