浮式海上风电结构动力响应分析与疲劳损伤研究

【摘要】：风能是一种清洁、安全、永续的可再生能源。深海所蕴藏风能更加丰富和优质。但随着海域的加深,海洋环境也变得更加复杂与恶劣。同时结构长期受到疲劳载荷的循环作用,极易产生疲劳损伤。因此,研究浮式海上风机(FOWT)在主要环境荷载作用下的动力特性与疲劳损伤对风机在服役期内的安全与使用有着非常重要的意义。本文选取美国可再生能源研究所(NREL)公布的‘'5 MW baseline"风机模型为设计依据,选取典型的浮式海上风机进行研究。首先建立了结构有限元模型,然后基于空气动力学理论计算风机运转荷载,并结合长期统计得到的南海环境条件资料,对海上浮式风机长期应力响应分布规律和累积疲劳损伤机理下的疲劳寿命进行研究,以期为我国深海风能资源开发工程中的浮式结构物设计提供理论依据和技术参考。本论文具体开展以下工作：(1)选取三种较为典型的浮式海上风电结构(Semi-submersible、Spar、 TLP),在同等输入条件下,计算了三种结构的频域水动力特性、时域耦合动力响应以及系泊缆绳的张力；进行了结构对波高、风速的敏感性分析,初步得到了三种浮式海上风电结构运动响应随海洋环境的变化规律。(2)以美国NREL研发的用于验证海上浮式风力涡轮机的模型OC4-DeepCwind半潜式浮式海上风机为母型结构,进行了详细的水动力响应分析与风、浪、流联合作用下整体结构的时域动力响应分析,得到了不同结构参数,如立柱间距、立柱直径、结构吃水以及压水板对结构动力响应的影响,为结构的优化设计提供参考。(3)浮式海上风电结构属于典型的疲劳构件,极易产生疲劳损伤。为确保浮式海上风机在服役期内的安全运行,结构疲劳寿命的准确估计是非常重要的。本论文首先分别进行了风机运转荷载与波浪荷载单独作用下的结构疲劳损伤分析；然后分析计算风机运转荷载与波浪荷载共同作用下,结构疲劳损伤规律；将该结果与荷载单独作用线性叠加结果进行比较,分析了荷载耦合效应对结构疲劳损伤的影响程度和规律,为准确评估浮式海上风电结构的疲劳寿命提供参考。 【关键词】：浮式海上风机 水动力 时域耦合分析 疲劳损伤
【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】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-27
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 国内外海上风电发展现状及未来发展趋势14-17
• 1.3 国内外海上风电研究现状17-24
• 1.3.1 浮式风机主要环境荷载的计算17-18
• 1.3.2 海上风机基础结构形式18-21
• 1.3.3 海上风机空气动力特性与整体结构响应分析21-23
• 1.3.4 结构疲劳损伤研究与寿命评估23-24
• 1.4 本文研究内容24-27
• 2 海洋环境载荷的计算理论27-37
• 2.1 风荷载的计算27-28
• 2.2 空气动力载荷的计算28-30
• 2.2.1 叶素-动量理论28-29
• 2.2.2 FAST系列分析软件概述29-30
• 2.3 波浪载荷的计算30-35
• 2.3.1 波浪理论的适用范围30-35
• 2.3.2 Morison公式35
• 2.4 海流载荷的计算35-36
• 2.4.1 海流特性35-36
• 2.4.2 海流载荷36
• 2.5 本章小结36-37
• 3 典型浮式海上风机动力性能的对比分析37-55
• 3.1 三种典型浮式风机模型的建立37-43
• 3.1.1 Semi浮式风机37-39
• 3.1.2 Spar浮式风机39-41
• 3.1.3 TLP浮式风机41-43
• 3.1.4 5MW风机结构43
• 3.2 荷载组合工况43-45
• 3.3 频域内水动力分析45-46
• 3.4 时域内耦合运动响应分析46-51
• 3.4.1 作业工况46-49
• 3.4.2 生存工况49-51
• 3.5 结构动力响应对于波高和风速的敏感性分析51-53
• 3.5.1 结构响应对于波高的敏感性分析51-52
• 3.5.2 结构响应对于风速的敏感性分析52-53
• 3.6 本章小结53-55
• 4 环境荷载作用下浮式海上风机Semi结构动力响应研究55-65
• 4.1 荷载工况55
• 4.2 频域内结构参数敏感性分析55-59
• 4.2.1 立柱间距的影响分析55-56
• 4.2.2 立柱直径的影响分析56-57
• 4.2.3 结构吃水的影响分析57-58
• 4.2.4 压水板的影响分析58-59
• 4.3 时域内运动响应的敏感性分析59-64
• 4.3.1 立柱间距的影响分析59-60
• 4.3.2 立柱直径的影响分析60-61
• 4.3.3 结构吃水的影响分析61-62
• 4.3.4 压水板的影响分析62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 浮式海上风机Semi结构系泊系统疲劳寿命研究65-82
• 5.1 海洋结构的疲劳分析理论65-68
• 5.1.1 T-N曲线理论66-67
• 5.1.2 累积损伤理论67-68
• 5.2 海洋结构疲劳寿命的评估方法68-75
• 5.2.1 频域疲劳分析法68-69
• 5.2.2 时域疲劳分析法69-75
• 5.3 结构和环境参数75-76
• 5.3.1 系泊模型75
• 5.3.2 环境参数75-76
• 5.4 单一荷载作用下基础系缆的疲劳分析76-80
• 5.4.1 风机荷载单独作用下系缆的疲劳寿命分析76-77
• 5.4.2 波浪荷载单独作用下系缆的疲劳寿命分析77-78
• 5.4.3 风机荷载与波浪荷载产生的疲劳损伤对比分析78-80
• 5.5 荷载耦合作用下基础系缆的疲劳分析80-81
• 5.6 本章小结81-82
• 6 总结与展望82-85
• 6.1 总结82-83
• 6.2 展望83-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-90
• 个人简历90
• 发表的学术论文90

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