海上风电浮式基础结构设计及整体强度分析

【摘要】：近年来，随着国家新能源战略的提出，海上风电技术发展迅猛。适应近海风力发电需求的浮式基础一经提出，便得到世界各国的重视而投入大量人力和物力展开研究。浮式基础结构存在的技术问题十分复杂，包括结构计算建模、载荷计算、结构强度及耐久性分析等，目前缺乏有效的计算方法。本文基于半潜式浮式基础的选型，进行结构设计，研究建模和结构强度计算方法，对于推动我国近海风电浮式基础技术的进步，提升浮式基础结构分析方法理论与技术水平，促进我国风电浮式基础结构的应用，具有重要理论与工程意义。 本文对目前国内外海上风电浮式基础的研究进展进行了概述，并对波浪载荷、流载荷、风载荷及空气动力载荷计算的理论进行了介绍。参考美国可再生能源实验室提供的5MW水平轴风机的基本资料，根据DNV规范，采用载荷与抗力分项系数设计法对半潜式风电浮式基础立柱板厚和骨材截面模数进行了设计。 SESAM是专业的海洋结构物强度和水动力分析软件，适合用于设计和分析各种海洋结构物。本文利用SASAM/GeniE模块，根据工程实际情况妥善地模拟了立柱、压水板、塔架、机舱和叶片，建立了风电浮式基础整体有限元模型。计算了风机运转过程中不同风速下叶片上的变桨空气动力载荷。针对120m水深的海域，在SESAM/HydroD模块中，采用复合水动力模型，计算浮式风电系统波浪载荷以及运动响应的传递函数和响应谱。考虑浮式基础所承受的所有载荷，分析浮式基础整体结构强度，并根据规范进行校核，同时在SESAM/Stofat模块中采用谱分析方法对浮式基础高应力区域进行了疲劳分析，结果显示浮式基础整体结构强度与疲劳强度均满足要求。 【关键词】：海上风电 浮式基础 结构设计 强度分析 疲劳分析
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315;TU476.1
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-18
• 1.1 研究意义7-9
• 1.2 海上风机组成部分及风电基础种类9-11
• 1.3 浮式基础的设计内容及流程11-13
• 1.4 国内外研究现状13-17
• 1.4.1 结构分析研究现状13-14
• 1.4.2 疲劳分析研究现状14-17
• 1.5 本文研究工作17-18
• 第二章 海上风机环境载荷计算方法18-33
• 2.1 波浪载荷18-24
• 2.1.1 微幅波(Airy)理论18-21
• 2.1.2 随机波浪理论21
• 2.1.3 莫里森（Morison）理论21-22
• 2.1.4 三维势流理论22-24
• 2.2 海流载荷24
• 2.3 风载荷24-26
• 2.3.1 风速的描述24
• 2.3.2 塔架及浮式基础上风载荷的计算24-25
• 2.3.3 极限海况下叶片承受的风载荷25-26
• 2.4 空气动力载荷26-32
• 2.4.1 风力机变桨距控制26-27
• 2.4.2 风机变桨载荷计算27-30
• 2.4.3 变桨载荷计算30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 风电浮式基础结构的规范设计33-45
• 3.1 风电浮式基础概述33-37
• 3.1.1 浮式基础主要组成部分35-37
• 3.2 风电浮式基础结构的规范设计37-41
• 3.2.1 载荷与抗力分项系数设计法37-38
• 3.2.2 确定立柱的设计载荷38-40
• 3.2.3 浮式基础立柱板梁结构规范设计40-41
• 3.3 本章小结41-45
• 第四章 浮式基础整体强度校核45-62
• 4.1 半潜式风电浮式基础结构总体强度校核45-61
• 4.1.1 坐标系的选取46-47
• 4.1.2 边界条件的施加方法47-48
• 4.1.3 载荷的计算及施加48-54
• 4.1.4 工况的选取54-55
• 4.1.5 浮式基础整体结构应力水平分析55-61
• 4.2 本章小结61-62
• 第五章 浮式基础疲劳强度校核62-68
• 5.1 疲劳分析有限元模型的建立63-64
• 5.2 疲劳分析环境参数64-66
• 5.3 浮式基础疲劳强度分析66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 本文主要研究工作68
• 6.2 本文主要创新点68-69
• 6.3 未来研究方向展望69-70
• 参考文献70-72
• 发表论文和参加科研情况说明72-73
• 致谢73

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