冰区固定式海上风机结构的冰激疲劳分析

发布时间：2020-04-02 21:38

【摘要】：目前,可再生能源的作用日益提高,其作为实现减排目标的重要途径得到了重点发展。在各清洁能源和可再生能源中,风能具有明显的优势。使用风能满足电力需求将是未来几十年的发展趋势。海洋风能资源比陆上风能资源更加丰富,近年来,随着海洋技术的发展,海洋风力发电蓬勃发展。中国的海洋风电资源约有上千兆瓦,具有很大的发展潜力。中国渤海海域的风电装机总容量和增速不断增加,是海洋风能技术研究、开发和利用的重要区域。冬季渤海海域存在大量海冰,冰区海洋结构会发生冰激振动和冰激疲劳现象。尤其对于海洋风机这种高度在50 m至70 m的柔性结构,海冰的影响会更加显著。因此,渤海冰区中的海洋风机结构在设计、运行中应考虑海冰的影响。本文主要针对渤海冰区海洋风机结构在冰载荷作用下的疲劳损伤计算方法进行研究。渤海冰区海洋结构普遍采用安装抗冰锥体以改变海冰的破坏模式,降低冰载荷的幅值以及避免稳态振动的发生。因此,本文主要对锥体海洋风机结构的冰激疲劳展开分析。在进行冰激疲劳分析时,首先需要构造海冰的疲劳环境参数。本文采用的海冰疲劳参数通过渤海JZ20-2海域长期的监测和统计得到,其包括冰期、冰厚、冰速、冰向。冰向的统计结果显示,海冰流向相对集中在固定方向。因此在疲劳工况划分中,以冰速和冰厚进行工况的划分。通过冰厚、冰速的概率密度函数得到二者的联合概率分布作为该工况出现的概率。分别通过基于实测的冰载荷公式和冰载荷谱公式对风机结构进行疲劳分析。本文分别采用时域和频域两种方法,对海洋风机在随机冰载荷作用下结构的热点位置、热点应力时程曲线、热点应力谱和损伤进行计算;然后利用Miner线性累积原理和S-N曲线的方法,计算风机结构在随机冰载荷下的的疲劳寿命。最后,针对时域、频域两种方法在计算海洋风机结构的随机冰激疲劳损伤时,计算效率、计算精度等方面进行了对比。在对冰载荷的研究中,离散元方法是一种可以有效模拟海冰与结构作用的破坏过程的数值方法。因此,本文利用球体构造海冰离散元模型,球体颗粒单元之间利用平行粘结模型构造出平整冰模型与结构相互作用,得到了不同工况条件下的冰载荷时程曲线。最后分析了基于离散元方法计算的冰载荷的风机结构的时域疲劳损伤结果。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315

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