海上風(fēng)電機(jī)組整體桁架式支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與疲勞研究

【摘要】：進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,能源緊張與溫室氣體效應(yīng)已經(jīng)成為人們面臨的兩大主題。世界各國都在積極探索發(fā)展新型能源,特別是清潔可再生能源。因此,風(fēng)能、太陽能等可再生能源已在世界范圍內(nèi)受到重視,尤其是近海風(fēng)能就更是許多發(fā)達(dá)國家開發(fā)的重點(diǎn)。 海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域,使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。發(fā)電成本是海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸.研究表明,按照目前的技術(shù)水平和20年設(shè)計(jì)壽命計(jì)算,海上風(fēng)電的發(fā)電成本約合人民幣0.42元(或0.05美元)／kWh。而影響海上風(fēng)電成本的主要因素是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本(包括制造、安裝和維護(hù)1。目前,海上風(fēng)電場的總投資中,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占15～25%,而陸上風(fēng)電場僅為5～10%。因此,發(fā)展低成本的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低海上風(fēng)電成本的一個(gè)主要途徑。 本文的研究工作包括如下幾個(gè)方面： (1)在研究各種海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種整體桁架式海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)。采用了風(fēng)機(jī)與支撐結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的方法求得系統(tǒng)的固有頻率,并利用有限元分析軟件ANSYS建立水深為10m的整體桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,進(jìn)行模態(tài)分析。得出固有頻率值,以確定結(jié)構(gòu)不會(huì)與風(fēng)機(jī)的工作頻率耦合發(fā)生共振。同時(shí)與當(dāng)前海上風(fēng)電場流行的支撐結(jié)構(gòu)單柱式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。 (2)采用風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)載荷與環(huán)境載荷聯(lián)合的方法對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。在此基礎(chǔ)上研究了風(fēng)機(jī)載荷、風(fēng)、海浪、流和冰單獨(dú)作用的情況下對(duì)整體桁架式與單柱式支撐結(jié)構(gòu)不同動(dòng)力作用,并作了比較。然后研究了極端工況和操作工況下支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析,得出關(guān)鍵部位單元的位移和等效應(yīng)力時(shí)程曲線。 (3)利用Miner線性累積疲勞損傷算法以及雨流計(jì)數(shù)法理論,通過MATLAB編程估算了整體桁架式支撐結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。 研究表明：整體桁架式支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度利用率較單柱式結(jié)構(gòu)有所提高。此外,整體桁架式結(jié)構(gòu)具有環(huán)境載荷(不包括風(fēng)機(jī)載荷)小,材料、制造和安裝成本低的特點(diǎn),而且還符合我國目前海洋工程的施工技術(shù)水平,可利用現(xiàn)有的海洋工程施工機(jī)具和裝備進(jìn)行海上安裝。 本論文提出整體桁架式海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)；同時(shí)提出了風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷與環(huán)境載荷耦合動(dòng)力分析方法,突破了DNV規(guī)范僅采用環(huán)境組合進(jìn)行動(dòng)力分析的設(shè)計(jì)方法。 【關(guān)鍵詞】：海上風(fēng)電 整體桁架結(jié)構(gòu) 動(dòng)力分析 疲勞損傷
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TM315
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 選題意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展及研究狀況12-20
• 1.2.1 海上風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)類型15-16
• 1.2.2 海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)16-19
• 1.2.3 我國海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的適用性分析19-20
• 1.3 本文研究工作20-21
• 2 海況資料與設(shè)計(jì)載荷分析21-30
• 2.1 海況基本資料21
• 2.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷21-26
• 2.2.1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷22-24
• 2.2.2 風(fēng)載荷24-25
• 2.2.3 浪流載荷25-26
• 2.2.4 海冰載荷26
• 2.3 動(dòng)力設(shè)計(jì)載荷26-29
• 2.3.1 風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)載荷26
• 2.3.2 風(fēng)荷載26-27
• 2.3.3 浪流載荷27
• 2.3.4 海冰載荷27-29
• 2.4 本章小結(jié)29-30
• 3 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及模態(tài)分析30-43
• 3.1 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)30-34
• 3.1.1 單柱式(Monopile)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)30-32
• 3.1.2 整體桁架式(whole truss)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)32-34
• 3.2 模態(tài)分析34-40
• 3.2.1 建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型34-35
• 3.2.2 模態(tài)分析35-40
• 3.3 支撐結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)固有頻率的影響40-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 4 支撐結(jié)構(gòu)的特性分析43-63
• 4.1 風(fēng)機(jī)的偏航作用43
• 4.2 強(qiáng)度分析43-46
• 4.3 動(dòng)力分析46-62
• 4.3.1 單工況動(dòng)力分析47-54
• 4.3.2 動(dòng)力耦合分析54-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 5 支撐結(jié)構(gòu)的疲勞性能分析63-72
• 5.1 疲勞分析方法63-68
• 5.1.1 雨流計(jì)數(shù)法64-67
• 5.1.2 Miner線性累積疲勞損傷模型67
• 5.1.3 S-N曲線67-68
• 5.2 疲勞環(huán)境條件68-69
• 5.3 疲勞壽命的計(jì)算69-71
• 5.4 本章小結(jié)71-72
• 6 結(jié)論與展望72-74
• 6.1 研究結(jié)論72-73
• 6.2 研究展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 致謝78-79
• 個(gè)人簡歷79
• 攻讀碩士期間撰寫論文79
• 攻讀碩士期間申請(qǐng)專利79

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