海上风电安装船桩腿动载缓冲研究与强度分析

【摘要】： 自1991年丹麦建成第一个海上风力发电场以来,风电机组设备的安装一直是风电场建设的一个重要的研究议题。风电机组设备的安装由最初的自升式平台与运输驳船联合安装,到2003年第一艘风电机组专用安装设备——自升自航式平台Mayflower的出现,发展到现在的带定位桩腿的自航船安装,海上风电场的建设速度得到了极大提高。海上风电场的建设日益受到全世界的关注。 近年,为充分利用我国丰富的海上风能资源,海上风电场的建设项目也已提上议程。同时风电机组的安装设备风电设备安装船的研究是海上风电场建设的一个重要议题。本文即是对风电设备安装船的研究。因风电设备安装船的历史并不久远,国外相关的研究文献很少,在国内仍没有相关的研究内容。因此,本文的研究结果对后来的风电安装船的设计研究有很好的参考价值。 本文阐述了海上风电场安装设备的发展状况,并介绍了各种安装设备的优缺点。针对本风电设备安装船,详细介绍了其船体型线特征,总布置及配备设备情况,及桩腿、桩靴的结构特点,此外还提出了固桩区缓冲设计方案。对风电设备安装船一个作业周期内的各个操作状态进行了详细描述。叙述了各操作状态的特点,提出各状态应注意的问题。应用已有的经验公式,计算风电设备安装船的风、流载荷;基于波浪三维势流理论,借助计算机软件,直接计算得到风电设备安装船的波浪载荷。建立桩腿的结构有限元模型,施加边界条件,将计算得到的波、浪、流环境载荷分配到单个桩腿,用有限元软件NASTRAN对桩腿进行强度分析。对固桩区作缓冲设计。应用有限元软件ABAQUS建立桩腿固桩区结构模型,施加边界条件及动载荷,分析不同橡胶材料弹性模量及不同载荷冲击频率下结构的动态响应,比较不同方案下的桩腿应力变化曲线,分析缓冲装置的缓冲效果。 【关键词】：风电设备安装船 环境载荷 强度分析 橡胶 缓冲设计
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P752;TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 论文的目的和意义14-15
• 1.2 海上风电安装设备历史及现状15-22
• 1.2.1 自升式平台发展现状15-17
• 1.2.2 自升自航式船发展现状17-19
• 1.2.3 带定位桩的自航船特点及现状19-20
• 1.2.4 波浪载荷及动力响应分析历史及现状20-22
• 1.3 本文工作内容介绍22-23
• 第二章 风电设备安装船船型及结构特点23-39
• 2.1 风电设备安装船的主要要素23-24
• 2.2 型线图特征24-25
• 2.3 总布置特征25-27
• 2.3.1 船体25-26
• 2.3.2 上层建筑26
• 2.3.3 直梯与斜梯26
• 2.3.4 船舶设备及甲板机械26-27
• 2.4 桩腿及其结构特征27-35
• 2.4.1 桩腿数目27
• 2.4.2 桩腿结构及截面型式27-28
• 2.4.3 桩靴型式28-30
• 2.4.4 桩腿长度30-32
• 2.4.5 滑轮系统32-34
• 2.4.6 固桩装置34-35
• 2.5 风电设备安装船操作状态35-37
• 2.5.1 移航36
• 2.5.2 下桩及提桩36
• 2.5.3 插桩及拔桩36-37
• 2.5.4 预压37
• 2.5.5 作业状态37
• 2.6 风电设备安装船优点37-38
• 2.7 本章小结38-39
• 第三章 风电设备安装船环境载荷计算39-51
• 3.1 风载荷计算39-41
• 3.1.1 风速与风压39-40
• 3.1.2 风载荷40-41
• 3.2 流载荷计算41-43
• 3.2.1 海流41-42
• 3.2.2 海流载荷42-43
• 3.3 波浪载荷43-47
• 3.3.1 波谱特征43-45
• 3.3.2 三维势流理论45-47
• 3.3.3 波浪力计算湿表面模型47
• 3.4 环境载荷计算结果47-50
• 3.4.1 风载荷结果47-48
• 3.4.2 流载荷结果48
• 3.4.3 波浪力计算结果48-50
• 3.5 载荷计算结果分析50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 风电设备安装船桩腿强度分析51-68
• 4.1 风电设备安装船载荷分析51-53
• 4.1.1 垂向载荷52
• 4.1.2 水平载荷52-53
• 4.1.3 地基对桩靴作用力53
• 4.2 第四强度理论53
• 4.3 有限元法分析桩腿强度步骤53-56
• 4.3.1 桩腿结构的离散化54
• 4.3.2 单元分析54-56
• 4.3.3 计算结构刚度矩阵和刚度方程56
• 4.3.4 计算应力56
• 4.4 桩腿有限元模型56-67
• 4.4.1 结构模型的简化56-57
• 4.4.2 有限单元划分57-60
• 4.4.3 边界条件确定60
• 4.4.4 结构材料及单元物理特性60
• 4.4.5 工况选取60-61
• 4.4.6 载荷加载61-62
• 4.4.7 计算结果62-67
• 4.4.8 结果分析67
• 4.5 本章小结67-68
• 第五章 固桩区缓冲装置橡胶材料及缓冲原理68-82
• 5.1 固桩区橡胶的物理性能68-75
• 5.1.1 橡胶的弹性理论69-71
• 5.1.2 橡胶材料本构关系71-73
• 5.1.3 橡胶材料力学常数的确定73-75
• 5.2 固桩装置缓冲原理75-78
• 5.2.1 橡胶阻尼作用机理75-76
• 5.2.2 固桩缓冲系统力学模型76-78
• 5.3 固桩缓冲装置设计78-81
• 5.3.1 缓冲装置橡胶材料78-80
• 5.3.2 缓冲装置结构设计80-81
• 5.4 本章小结81-82
• 第六章 固桩区缓冲设计动力分析82-97
• 6.1 风电设备安装船动力分析力学模型82-84
• 6.2 桩腿固桩区有限元模型84-86
• 6.3 橡胶材料的有限元模拟86
• 6.4 计算工况的设计86-87
• 6.5 边界条件及载荷施加87-88
• 6.6 动力分析结果88-95
• 6.7 分析总结95-96
• 6.8 本章小结96-97
• 第七章 总结与展望97-99
• 7.1 主要结论97-98
• 7.2 研究展望98-99
• 参考文献99-102
• 附录一 风电设备安装船型线图102-103
• 附录二 风电设备安装船总布置图103-105
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文105-106
• 致谢106

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