海上风机一体化运输安装船船体结构强度分析及优化

发布时间：2017-09-21 23:22

  本文关键词：海上风机一体化运输安装船船体结构强度分析及优化

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【摘要】：近年来,为应对能源危机问题,各国都在积极地发展风力发电,大力开展海上风电场的建设。作为能源消耗大国,大力发展海上风电是我国的一项重要举措。风电运输安装船是建设海上风电场的关键设备。新型的风电一体化运输安装船是一种全新的海洋工程船舶,与起重船和自升式分体安装平台不同,该船集风机的整体运输、安装于一体,无需其它船舶配合,可高效高精度地完成风机的整体运输和吊装工作,减少了海上作业时间,降低了安全风险。风机一体化运输、安装已成为了未来风电安装船的发展的趋势之一。本文对一艘能够同时运输、安装4台6MW风机的风电一体化运输安装船进行了研究,完成了总体设计和结构设计。考虑到风机整机重量较大,作用力为集中载荷,且需要在船舶甲板上进行纵向移动,因此船舶的结构强度是研究的重点。主要工作和研究成果如下:(1)根据船舶的功能需求,提出了该型船的概念设计方案,完成了型线和总布置设计工作及载荷调整方案,并在此基础上进行了船体结构的规范设计。(2)作为一种全新的海洋工程船型,风电一体化运输安装船没有直接的设计规范。本文参考了《CCS船舶结构强度直接计算指南》及其他相关文献,总结了该船型建模规则、载荷计算方法、设计波参数确定方法、边界条件选取方法及许用应力要求,形成了一套针对风电一体化运输安装船的整船强度直接计算的方法。(3)基于设计波法对波浪载荷进行了预报。通过SESAM PatranPre建立面元模型和质量模型,利用SESAM软件计算了八种工况下船舯剖面垂向波浪弯矩的传递函数。从偏安全的角度出发,选取北大西洋海域的海况进行载荷预报,利用SESAM软件中的HydroD模块,选择Pierson-Moskowitz谱,结合Weibull分布拟合长期预报方法,对船舶的波浪载荷进行了预报。(4)对船体全船强度进行了分析。利用PCL语言和FEM场的功能,读取水动载荷的结果,利用线性外插法将水动载荷映射施加到船舶有限元模型上。计算结果表明,本船的航行工况下高应力水平的区域主要集中在风机底座下方,在起重工况下的高应力水平区域集中在尾部风机起重桁架附近和风机底座下方。造成这一结果的原因是由于风机重量较大。(5)对于风机底座附近承载和应力较大区域的船舶结构,利用MSC.Patran/Nastran的Optimize功能,选定了合适的变量,以结构的合成应力不超过许用应力作为约束条件,以总量最轻为优化目标进行了尺寸优化。对优化后的整船模型进行了满载出港迎浪工况下的强度分析。优化结果表明,改变结构件的尺寸可以非常有效地降低结构应力水平,减轻结构重量。
【关键词】：风机一体化运输安装船 设计波法 强度分析 结构优化
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661.43
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 第1章 绪论16-22
• 1.1 论文的研究背景16
• 1.2 国内外研究现状16-20
• 1.2.1 风电安装船研究现状16-17
• 1.2.2 船舶结构强度研究现状17-19
• 1.2.3 结构优化设计研究现状19-20
• 1.3 论文的主要研究内容和方法20-22
• 第2章 海上风机一体化运输安装船总体设计及结构设计22-39
• 2.1 船舶总体设计方案22-28
• 2.1.1 船型特征22-23
• 2.1.2 船舶主尺度参数23-24
• 2.1.3 船舶型线24
• 2.1.4 船舶总布置24-26
• 2.1.5 船舶重量、重心估算26-28
• 2.2 船舶浮态调整28-30
• 2.3 船舶结构设计30-38
• 2.3.1 外板30-32
• 2.3.2 甲板32-33
• 2.3.3 双层底33-34
• 2.3.4 舷侧骨架和甲板骨架34-35
• 2.3.5 支柱与桁架35-36
• 2.3.6 舱壁36-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 海上风机一体化运输安装船船体结构强度分析方法39-46
• 3.1 船舶强度直接计算方法39
• 3.2 工况选取39
• 3.3 船舶载荷39-43
• 3.3.1 船舶静水载荷40-41
• 3.3.2 船舶主要参数的传递函数及长期预报41
• 3.3.3 设计波参数确定41-43
• 3.3.4 船舶波浪载荷43
• 3.3.5 空船重量43
• 3.3.6 风机重量43
• 3.4 有限元模型建立43-44
• 3.4.1 单元类型44
• 3.4.2 网格尺寸44
• 3.4.3 坐标系44
• 3.5 边界条件选取44-45
• 3.6 许用应力45
• 3.7 本章小结45-46
• 第4章 海上风机一体化运输安装船波浪载荷预报46-58
• 4.1 波浪载荷46-48
• 4.1.1 不同尺度波浪力理论46-47
• 4.1.2 波浪理论47-48
• 4.1.3 波浪载荷研究方法48
• 4.2 基于动态载荷法的波浪载荷计算48
• 4.3 波浪载荷预报48-57
• 4.3.1 波浪载荷预报流程48-50
• 4.3.2 载荷工况50
• 4.3.3 重量分布50-51
• 4.3.4 SESAM软件51-52
• 4.3.5 水动力计算模型52-53
• 4.3.6 传递函数计算53-54
• 4.3.7 波浪诱导载荷长期预报54
• 4.3.8 设计波参数54-55
• 4.3.9 设计波下的波浪载荷预报55-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 海上风机一体化运输安装船船体结构强度分析58-74
• 5.1 船舶强度分析方法58-59
• 5.1.1 有限元法58-59
• 5.2 模型建立59-66
• 5.2.1 坐标系及单位设定59
• 5.2.2 材料属性59
• 5.2.3 有限元模型建立59-60
• 5.2.4 空船重量60-61
• 5.2.5 风机重量61-63
• 5.2.6 压载水、淡水、燃油压力63
• 5.2.7 水动载荷63-65
• 5.2.8 边界条件65-66
• 5.3 计算结果66-73
• 5.3.1 应力衡准66
• 5.3.2 全船变形66-67
• 5.3.3 全船主要应力汇总67-72
• 5.3.4 超出许用应力区域72
• 5.3.5 船舶结构设计的注意事项72-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第6章 海上一体化运输安装船风机基座区域结构优化74-81
• 6.1 船体结构优化设计的一般流程74-75
• 6.1.1 建立目标函数74
• 6.1.2 确定设计变量74-75
• 6.1.3 确定约束条件75
• 6.2 船舶结构设计优化问题数学表述75-76
• 6.3 结构优化方法76
• 6.4 本文的结构优化问题数学表述76
• 6.5 风机基座区域的结构优化方法76-78
• 6.6 结构优化结果78-80
• 6.7 优化后全船强度分析结果80
• 6.8 本章小结80-81
• 第7章 总结与展望81-83
• 7.1 本文主要工作81
• 7.2 展望81-83
• 参考文献83-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文88-90
• 致谢90-92
• 附录1 总布置图92-94
• 附录2 基本结构图94-96
• 附录3 传递函数和波浪诱导载荷长期预报96-101
• 附录4 水动载荷预报101-108
• 附录5 全船相对变形108-114
• 附录6 应力云图114-119

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本文编号：897470