海洋结构随机波浪荷载与快速动力响应计算方法及试验研究

发布时间：2017-08-10 18:56

  本文关键词：海洋结构随机波浪荷载与快速动力响应计算方法及试验研究

  更多相关文章： 随机波浪 自由度凝聚 动力响应 试验研究

【摘要】：随着陆地资源的日益短缺,海洋资源的开发与利用得到世界各国的广泛关注。目前,风能与油气资源是开发利用的主要海洋资源,海洋结构是开发利用海洋资源的基础,随机波浪荷载计算、结构动力特性及动力响应分析是海洋结构设计的重要部分。一方面,海上风电开发最简单、最常用的基础结构是单桩结构,但现有的商业软件虽能够计算作用于基础结构上总的随机波浪力,但很难得到各个位置处的波浪荷载时程。另一方面,随着资源开发不断向深海发展,海洋结构变得越来越复杂,如何快速求解结构的振动特性以及动力响应,在保证计算精度的前提下提高计算效率,一直是学者们研究的热点。本文以随机波浪理论为基础,依据海上风电结构设计规范DNV-OS-J101与IEC 61400-3,编写了求解单桩结构任意位置处单位长度上随机波浪荷载计算程序,包括荷载谱离散及借助传递函数两种方式。同时,考虑了自由面修正以及海流对随机波浪荷载的影响,使程序能够计算自由面以上部位的波浪力时程。程序计算结果与与商业软件计算结果在时域、频域上进行了对比,其结果表明所编制程序在正常工况(NSS)、危险工况(SSS)具有很好的吻合,在极端工况(ESS)时有一定的偏差,其原因在于商业软件选用的流模型未知,而本程序选用1/7流模型。该程序也通过开展随机波浪单桩结构物理模型试验进行了验证。以保证海上复杂结构动力响应分析精度并提高其计算效率为目的,本文首先编写了结构振动特性与动力响应计算程序,并以一座导管架基础海上风电结构为研究对象,通过与商业软件ANSYS计算结果的对比分析,验证程序的正确性。其次,研究了运用模态综合法、静力缩聚及动力缩聚方法,编制了计算程序,开展了导管架基础海上风电结构动力缩聚研究,详细研究了缩聚结构固有频率及其在不同条件下结构位移响应与原结构的差别,并对比分析了静力与动力自由度凝聚方法凝聚结构的固有频率与位移响应的差别。考虑到缩聚结构的特性与诸多因素有关,本文针对缩聚结构的主自由,详细研究了缩聚结构固有频率及位移响应与主自由度数、主自由度选取的关系。所开发的随机波浪荷载计算程序能够计算单桩结构任意位置处的波浪荷载时程,所探讨的复杂结构自由度缩减技术能够在确保计算精度的前提下大大提高计算效率,从而为海洋风能开发从岸滩到更深海提供技术支撑。
【关键词】：随机波浪 自由度凝聚 动力响应 试验研究
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV139.2;TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1. 绪论10-17
• 1.1 引言10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 随机波浪荷载的研究现状11-13
• 1.2.2 随机波浪荷载计算存在的问题13
• 1.2.3 复杂结构缩聚技术研究现状13-15
• 1.2.4 结构动力响应研究现状15
• 1.2.5 结构缩聚存在的问题15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-17
• 2 波浪理论及荷载计算17-28
• 2.1 规则波浪理论18-22
• 2.1.1 线性波浪理论18-19
• 2.1.2 非线性波浪理论19-22
• 2.2 随机波浪理论22-25
• 2.2.1 波浪谱23-24
• 2.2.2 波浪模型24-25
• 2.3 波浪载荷计算25-27
• 2.4 小结27-28
• 3 大型复杂结构振动特性与动力响应简化计算理论28-38
• 3.1 结构自由度凝聚方法28-35
• 3.1.1 静力凝聚法28-30
• 3.1.2 动力凝聚法30-31
• 3.1.3 模态综合法31-35
• 3.2 结构动力响应常用数值方法35-37
• 3.3 小结37-38
• 4 海上风机结构振动特性以及动力响应研究38-52
• 4.1 风机结构介绍以及有限元模型建立38-41
• 4.2 结构振动特性、动力响应计算及自编程序验证41-49
• 4.2.1 结构振动特性计算验证41-42
• 4.2.2 结构动力响应计算结果对比42-49
• 4.3 固定界面模态综合法结构振动特性计算49-50
• 4.4 小结50-52
• 5 静力缩聚结构振动特性及动力响应研究52-74
• 5.1 主自由度数对静力缩聚结构响应影响研究52-65
• 5.2 不同主自由度对静力缩聚结构响应影响研究65-72
• 5.3 小结72-74
• 6 动力凝聚缩聚结构振动特性及动力响应对比研究74-96
• 6.1 主自由度数对动力缩聚结构响应影响研究74-88
• 6.2 不同主自由度对动力缩聚结构响应影响研究88-95
• 6.3 小结95-96
• 7 随波波浪荷载数值及物理模型实验研究96-106
• 7.1 随机波浪荷载计算数值验证96-101
• 7.1.1 随机波浪波高对比验证96-101
• 7.2 随机波浪物理模型试验验证101-105
• 7.2.1 试验目的101
• 7.2.2 物理模型简介101-102
• 7.2.3 试验条件及参数测量设备102
• 7.2.4 试验测试工况102-103
• 7.2.5 试验结果对比103-105
• 7.3 小结105-106
• 8 总结与展望106-108
• 8.1 结论106
• 8.2 创新性106
• 8.3 展望106-108
• 参考文献108-110
• 致谢110-111
• 个人简历111-112
• 个人成果112

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本文编号：652104