基于ANSYS的导管架式海上风力发电机组支撑结构分析

发布时间：2017-07-08 19:27

  本文关键词：基于ANSYS的导管架式海上风力发电机组支撑结构分析

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【摘要】：海上风能是一种具有广阔前景的清洁能源,但其开发受高成本制约。在海上风电场建设成本中,风力发电机组支撑结构占很大一部分。对支撑结构进行研究可以通过技术手段降低海上风电场建设成本,这对于推进海上风能开发具有重要意义。在几种海上风力发电机组支撑结构中,导管架式支撑结构适用范围广,有诸多优势,因此本文选取导管架式海上风力发电机组支撑结构进行研究。首先,本文介绍了海上风力发电的发展现状、海上风力发电机组支撑结构类型以及国内外对导管架式支撑结构的研究现状,给出了海上风力发电机组及支撑结构所受风、波浪、海流等几种环境荷载的计算方法。针对海上风力发电机组支撑结构主要承受水平荷载的特点,详细阐述了桩基础和地基土体的相互作用和土反力的计算。然后,借助ANSYS有限元软件,建立导管架式海上风力发电机组支撑结构有限元模型,将桩基础与导管架部分整体考虑,塔筒与导管架的过渡段采用杆系形式的过渡段。对不同工况下的导管架式海上风力发电机组支撑结构进行了静力分析、模态分析和瞬态分析。分析结果表明支撑结构导管架部分和桩基础部分统一和分开考虑来分析结构特性时,分析结果存在较大差异,且在结构设计过程中应关注结构的动力特性。最后,以几何尺寸为设计变量,应力、应变等为约束变量,结构用钢量为目标函数建立起导管架式海上风力发电机组支撑结构优化模型,通过ANSYS自带优化模块进行了优化分析。优化结果使导管架式支撑结构在满足稳定的条件下减少了约20%的用钢量,对于海上风电场建设具有重要经济意义。本文对导管架式支撑结构进行了有限元静力分析、动力分析和优化分析,得出的研究成果对于导管架式海上风力发电机组支撑结构的合理设计,从而推动海上风能开发向更深水域推进提供了一定的参考。
【关键词】：海上风电 支撑结构 导管架 有限元 优化
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;TU476
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究背景与意义11-14
• 1.1.1 海上风力发电发展现状11-12
• 1.1.2 海上风力发电机组支撑结构类型12-14
• 1.2 国内外海上风力发电机组支撑结构研究现状14-17
• 1.2.1 荷载分析与计算15
• 1.2.2 桩与海床相互作用15-16
• 1.2.3 部件连接与防冲刷腐蚀16
• 1.2.4 优化设计16-17
• 1.3 海上风力发电机组支撑结构发展趋势17
• 1.4 本文主要研究内容17-18
• 第2章 导管架式海上风力发电机组支撑结构荷载18-33
• 2.1 风荷载18-19
• 2.1.1 风轮风荷载18-19
• 2.1.2 塔筒风荷载19
• 2.2 波浪荷载19-25
• 2.2.1 莫里森方程19-20
• 2.2.2 莫里森方程的修正20-21
• 2.2.3 斯托克斯五阶波理论21-25
• 2.2.4 水动力系数25
• 2.3 海流荷载25-26
• 2.4 桩土相互作用26-28
• 2.4.1 水平承载桩的挠曲方程26-27
• 2.4.2 地基反力27-28
• 2.5 P-Y曲线法28-31
• 2.5.1 软粘土中的P-Y曲线28-29
• 2.5.2 砂土中的P-Y曲线29-31
• 2.5.3 硬粘土中的P-Y曲线31
• 2.6 荷载组合31-32
• 2.7 本章小结32-33
• 第3章 导管架式海上风力发电机组支撑结构有限元分析33-57
• 3.1 有限元法简介33
• 3.2 ANSYS简介33-34
• 3.3 ANSYS单元介绍34-36
• 3.3.1 PIPE5934-36
• 3.3.2 COMBIN3936
• 3.4 有限元模型36-41
• 3.4.1 海上风力发电机组参数36-37
• 3.4.2 支撑结构布置和尺寸37-38
• 3.4.3 有限元模型38-41
• 3.5 荷载计算41-44
• 3.5.1 风荷载41-42
• 3.5.2 波浪和海流荷载42-43
• 3.5.3 土反力和P-Y曲线43-44
• 3.6 静力分析44-48
• 3.7 模态分析48-52
• 3.7.1 模态分析理论48-49
• 3.7.2 模态分析步骤49
• 3.7.3 模态分析结果分析49-52
• 3.8 瞬态分析52-56
• 3.8.1 瞬态分析理论52
• 3.8.2 瞬态分析步骤52-53
• 3.8.3 瞬态分析结果分析53-56
• 3.9 本章小结56-57
• 第4章 导管架式海上风力发电机组支撑结构优化57-67
• 4.1 结构优化设计概述57-58
• 4.1.1 设计变量57
• 4.1.2 约束条件57-58
• 4.1.3 目标函数58
• 4.2 ANSYS优化模块58-59
• 4.2.1 零阶优化法58
• 4.2.2 一阶优化法58-59
• 4.2.3 优化工具59
• 4.3 优化设计模型59-60
• 4.3.1 导管架式海上风力发电机组支撑结构优化设计变量60
• 4.3.2 导管架式海上风力发电机组支撑结构优化目标函数60
• 4.3.3 导管架式海上风力发电机组支撑结构优化约束条件60
• 4.4 优化分析60-64
• 4.5 优化结果64-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第5章 结论与展望67-70
• 5.1 结论67-68
• 5.2 展望68-70
• 参考文献70-75
• 附录75-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文77-78
• 致谢78

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