海上风电筒型基础风机结构体系动力响应分析

【摘要】：风荷载和波浪荷载是近海风机结构的主要环境荷载,合理确定风荷载和波浪荷载是对结构进行受力分析的基础。作用于塔架上的风荷载以及作用在筒型基础过渡段的波浪荷载会使塔架和筒型基础产生比较大的内力。同时由于风荷载和波浪荷载的随机性特点,筒型基础和塔架还会产生振动。研究筒型基础风机结构的动力特性,分析结构在风、浪荷载下的动力响应是结构安全性评估的重要部分,同时对指导筒型基础和塔架结构的设计具有重要的参考价值和工程意义。 本文针对风电结构安装海域的风况,根据风荷载随机性的特点,把塔架划分为14段,基于谐波叠加法模拟得到14个位置处作用在塔架上的风荷载时程。把筒型基础和塔架连接的过渡段等效为大直径圆筒,在实测的波高和周期基础上,运用线性波浪理论模拟随机波浪,并结合绕射理论推导出作用在大尺度结构上的波浪力时程。本文用有限元软件ABAQUS建立了3兆瓦筒型基础风机结构的有限元模型,并详细介绍了模型的单元划分情况和边界条件。通过对筒型基础风机结构进行模态分析,计算得到了结构本身的振动特性。并在模态分析的基础上用dynamic implicit分析模块进一步计算分析了结构在风荷载和波浪荷载单独作用下的动力响应。并对风荷载和波浪荷载进行不同的组合,计算结构在风、浪组合作用下动力响应。通过比较分析各种荷载组合作用下的动力响应,确定风、浪峰值组合情况下为控制工况。 综上所述,本文主要分析了筒型基础风机结构在风、浪荷载作用下的动力响应,为近海筒型基础风机结构在复杂海洋环境作用下的设计提供一些有工程应用参考价值的分析结论。 【关键词】：筒型基础 近海风机 风荷载 波浪荷载 绕射理论 动力响应
【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】：P752;TU476
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 引言8-9
• 1.2 研究背景9-13
• 1.2.1 海上风力发电的现状9-10
• 1.2.2 海上风电结构的基础形式10-12
• 1.2.3 海上风电筒型基础风机结构体系在复杂海洋环境下的研究现状12-13
• 1.3 本文的主要工作13-15
• 第二章 近海风机随机风速时程模拟15-26
• 2.1 风的特性15-16
• 2.1.1 风的气象特性15
• 2.1.2 风的基本概念15-16
• 2.1.3 风的稳态平均风速16
• 2.2 脉动风的风速时程模拟16-25
• 2.2.1 脉动风的特性16-19
• 2.2.2 风速时程的数值模拟方法19-21
• 2.2.3 海上筒型基础风机结构脉动风场实例模拟与分析21-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 近海风机波浪力的计算模拟26-45
• 3.1 波浪理论基本方程和边界条件26-28
• 3.1.1 Laplace 方程26-27
• 3.1.2 边界条件27-28
• 3.2 波浪理论28-35
• 3.2.1 线性波浪理论29-31
• 3.2.2 五阶stokes 波理论31-32
• 3.2.3 椭余波理论32-33
• 3.2.4 流函数波理论33-34
• 3.2.5 驻波理论34-35
• 3.3 波浪力计算方法35-41
• 3.3.1 Morison 方程35-37
• 3.3.2 Froude-Krylov 理论37
• 3.3.3 绕射理论37-41
• 3.4 三种计算波浪力方法的适用范围41
• 3.5 波浪荷载实例模拟与分析41-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第四章 风、浪共同作用下筒型基础风机结构体系的动力响应分析45-79
• 4.1 筒型基础风机结构ABAQUS 有限元建模46-51
• 4.1.1 土的本构模型-Mohr-Coulomb 弹塑性模型46-48
• 4.1.2 筒型基础与土的相互作用48-49
• 4.1.3 筒型基础风机结构体系的有限元模型49-51
• 4.2 筒型基础风机结构体系的模态分析51-56
• 4.2.1 模态分析的基本理论51-52
• 4.2.2 筒型基础风机结构的模态分析52-56
• 4.3 筒型基础风机结构在风、浪作用下的动力响应分析56-77
• 4.3.1 筒型基础风机结构在风和浪单独作用下的响应56-65
• 4.3.2 风和波浪的线性叠加65-68
• 4.3.3 Turkstra 法68-72
• 4.3.4 峰值叠加法72-77
• 4.4 本章小结77-79
• 第五章 结论与展望79-81
• 5.1 主要工作和结论79-80
• 5.2 本文的不足和展望80-81
• 参考文献81-84
• 发表论文和参加科研情况说明84-85
• 致谢85

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