近海風(fēng)電基礎(chǔ)流固耦合三維動(dòng)力響應(yīng)分析

【摘要】：隨著能源的枯竭、環(huán)境的惡化,清潔無污染的可再生能源就成為各國爭相研究與應(yīng)用的焦點(diǎn)。而風(fēng)能是目前發(fā)展較為成熟的一種新型能源,已經(jīng)逐漸在新能源產(chǎn)業(yè)中起到了領(lǐng)軍作用。我國擁有漫長的海岸線,近海風(fēng)能資源豐富,用電負(fù)荷中心又大多集中于東部沿海地區(qū),海上風(fēng)能必將成為我國今后可持續(xù)發(fā)展的主要能源之一。風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)關(guān)乎整個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全,而且又被認(rèn)為是造成海上風(fēng)電成本較高的因素之一,大力發(fā)展比較經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海上風(fēng)電場研究開發(fā)的主要課題。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況、離岸距離、海上風(fēng)、浪載荷特性以及海流、冰等的影響。 本論文就以江蘇鹽城響水風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目為依托,采用數(shù)值分析的手段,利用大型通用軟件ADINA進(jìn)行模擬,選用適合實(shí)際工程的材料本構(gòu)模型,建立風(fēng)機(jī)、基礎(chǔ)、水、海床的三維計(jì)算模型,分析風(fēng)電基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)的靜力以及考慮流固耦合的動(dòng)力響應(yīng),考慮采用簡諧循環(huán)荷載等效替代近海風(fēng)電場風(fēng)、波浪和水流等復(fù)雜動(dòng)力荷載的方法,為工程設(shè)計(jì)提供必要依據(jù)。 本論文主要成果有: (1)建立近海風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)三維有限元模型,進(jìn)行無水層與考慮水為勢流體時(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。水層顯著減小了結(jié)構(gòu)的高階頻率,同時(shí)也就增大了低階頻率的范圍,增大了結(jié)構(gòu)的危害程度。所以,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力耦合頻域分析是非常必要的。通過驗(yàn)算本文1.5MW風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)時(shí)能夠避開葉輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率1P和3P一定范圍,滿足工程要求。 (2)對(duì)單樁基礎(chǔ)模型進(jìn)行靜力分析可知,結(jié)構(gòu)豎向沉降量最大值為0.35m,出現(xiàn)在樁體附近的淤泥層,樁與塔身的沉降量沿高度方向近似呈線性減小,變化范圍在0.005m~0.032m,均很小,對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無影響;風(fēng)力荷載是影響風(fēng)機(jī)水平位移的主要響應(yīng)源,對(duì)結(jié)構(gòu)沉降影響不大。樁與塔身的沉降與順風(fēng)向水平位移均很小,對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無影響。 (3)通過單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、水流的動(dòng)力耦合分析,加載周期水流速度荷載,在軟弱的淤泥層出現(xiàn)較大位移,其中耦合模型的沉降量90%發(fā)生在第一個(gè)半周期,耦合模型中樁、塔身沿高度的沉降曲線形狀與靜力結(jié)果相同,但是整體位置發(fā)生了變化。從淤泥層往上,樁體、塔身均不發(fā)生沉降,相反會(huì)向上抬升,主要是因?yàn)轱L(fēng)荷載與水流動(dòng)力荷載耦合作用導(dǎo)致;當(dāng)水流荷載與風(fēng)荷載方向相同時(shí),耦合模型的水平位移發(fā)展明顯,周期內(nèi)其他時(shí)間位移發(fā)展緩慢。相對(duì)土體,塔身迎風(fēng)面和背風(fēng)面應(yīng)力較大。 (4)建立近海風(fēng)機(jī)四樁基礎(chǔ)三維有限元模型,進(jìn)行無水層與考慮水為勢流體時(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型,驗(yàn)算后可知四樁基礎(chǔ)時(shí)風(fēng)機(jī)仍然能避開葉輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率1P和3P一定范圍。同時(shí),對(duì)比添加水層為勢流體前后結(jié)構(gòu)的自振頻率可知,水層顯著降低了結(jié)構(gòu)的高階頻率。四樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的自振頻率,即第一階和第二階頻率,較單樁基礎(chǔ)有所提高,由于動(dòng)力荷載的頻率一般偏小,故有利于避開動(dòng)力荷載的頻率。 (5)對(duì)四樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析可知,與單樁基礎(chǔ)類似,風(fēng)荷載對(duì)沉降影響較小,仍然為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移的主要響應(yīng)源,同時(shí)量值有所減少,說明四樁基礎(chǔ)的靜力承載力較單樁基礎(chǔ)高,有利于風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性。 (6)加載與單樁基礎(chǔ)相同的周期水流速度荷載后,對(duì)結(jié)構(gòu)、水流的動(dòng)力耦合分析,結(jié)果類似單樁基礎(chǔ),淤泥層最外邊緣存在最大沉降,且其沉降主要發(fā)生于第一個(gè)半周期。樁、塔身總體沉降量均非常小,均對(duì)結(jié)構(gòu)不構(gòu)成威脅。其中,迎風(fēng)面位置樁的沉降均小于背風(fēng)面位置樁同高度處的沉降量,單根樁內(nèi)部其頂部沉降量較底部要大,對(duì)于塔身,沉降量沿高度方向呈減小趨勢,在頂部存在略微波動(dòng);水平位移在加速度由最小峰值向最大峰值發(fā)展時(shí)增大明顯,周期內(nèi)其他時(shí)間增大平緩些。四樁基礎(chǔ)的應(yīng)力分布整體較單樁基礎(chǔ)時(shí)要小,有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 (7)綜合分析靜力、動(dòng)力分析結(jié)果可知,對(duì)于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)這類存在動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu),必須進(jìn)行動(dòng)力耦合計(jì)算,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;對(duì)比單樁與四樁基礎(chǔ),沉降特性、水平位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)等方面規(guī)律非常類似,在不計(jì)算生產(chǎn)與建設(shè)成本時(shí),四樁基礎(chǔ)顯然較單樁基礎(chǔ)要好。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)電場 樁基礎(chǔ) 有限元 荷載 流固耦合
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TU435
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-19
• 1.1 研究背景12-16
• 1.1.1 與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電具有的優(yōu)點(diǎn)13
• 1.1.2 國外風(fēng)電發(fā)展概況13-14
• 1.1.3 國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展概況14-16
• 1.2 研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 本論文研究內(nèi)容18-19
• 第二章 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)19-28
• 2.1 海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的形式19-23
• 2.1.1 單樁基礎(chǔ)19-20
• 2.1.2 重力式基礎(chǔ)20
• 2.1.3 三腳架基礎(chǔ)20-21
• 2.1.4 四腳架基礎(chǔ)21
• 2.1.5 多樁基礎(chǔ)21
• 2.1.6 浮式基礎(chǔ)21-22
• 2.1.7 導(dǎo)管架式基礎(chǔ)22-23
• 2.1.8 吸力式基礎(chǔ)23
• 2.2 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)類型選址、選型的影響因素23-24
• 2.2.1 場址選擇需考慮的因素23
• 2.2.2 基礎(chǔ)類型選型的影響因素23-24
• 2.2.3 基礎(chǔ)類型詳細(xì)設(shè)計(jì)需注意事項(xiàng)24
• 2.3 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防腐蝕、防沖刷設(shè)計(jì)24-25
• 2.3.1 防腐蝕設(shè)計(jì)24
• 2.3.2 防沖刷設(shè)計(jì)24-25
• 2.4 樁基承載力研究現(xiàn)狀及水平25-27
• 2.4.1 豎向荷載下基樁的研究現(xiàn)狀25-26
• 2.4.2 橫向荷載下基樁的研究現(xiàn)狀26-27
• 2.4.3 復(fù)合荷載下基樁的研究現(xiàn)狀27
• 2.5 本章小結(jié)27-28
• 第三章 有限元數(shù)值分析28-39
• 3.1 有限元方法的發(fā)展28-29
• 3.2 有限元分析軟件ADINA29-34
• 3.2.1 ADINA 的特點(diǎn)29-30
• 3.2.2 材料本構(gòu)模型30-33
• 3.2.3 ADINA 的流固耦合分析以及勢流體33-34
• 3.3 建立有限元三維模型34-35
• 3.4 荷載分析35-37
• 3.4.1 風(fēng)荷載35-36
• 3.4.2 水流荷載36-37
• 3.5 模態(tài)分析37-38
• 3.6 本章小結(jié)38-39
• 第四章 近海風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)的有限元分析39-53
• 4.1 有限元模型39-40
• 4.2 模態(tài)分析40-45
• 4.2.1 結(jié)構(gòu)自振模態(tài)分析40-42
• 4.2.2 考慮水為勢流體時(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析42-45
• 4.3 靜力分析45-47
• 4.3.1 沉降特性45-46
• 4.3.2 水平位移分析46-47
• 4.4 動(dòng)力耦合分析47-52
• 4.4.1 沉降特性48-49
• 4.4.2 水平位移分析49-51
• 4.4.3 應(yīng)力分析51
• 4.4.4 塑性區(qū)51-52
• 4.5 本章小結(jié)52-53
• 第五章 近海風(fēng)機(jī)四樁基礎(chǔ)的有限元分析53-68
• 5.1 有限元模型53-54
• 5.2 模態(tài)分析54-58
• 5.2.1 結(jié)構(gòu)自振模態(tài)分析54-56
• 5.2.2 考慮水為勢流體時(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析56-58
• 5.3 靜力分析58-61
• 5.3.1 沉降特性58-60
• 5.3.2 水平位移分析60-61
• 5.4 動(dòng)力耦合分析61-66
• 5.4.1 沉降特性62-64
• 5.4.2 水平位移分析64-65
• 5.4.3 應(yīng)力分析65-66
• 5.4.4 塑性區(qū)66
• 5.5 本章小結(jié)66-68
• 第六章 結(jié)論與展望68-70
• 6.1 結(jié)論68
• 6.2 展望68-70
• 參考文獻(xiàn)70-73
• 致謝73-74
• 作者簡介74

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國內(nèi)外海上風(fēng)電場現(xiàn)狀及其基礎(chǔ)設(shè)施研究    王鳳云;王輝;

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打破壟斷是“多贏”之舉    新望

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加快政府轉(zhuǎn)型 健全現(xiàn)代市場體系    韓朝華

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土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的飽和彈性半空間理論    王小崗

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多年凍土地區(qū)單樁應(yīng)力狀態(tài)分析    徐蓮凈

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海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)扶正導(dǎo)向裝置研究    宗紅霞

單樁基礎(chǔ)海上簡易平臺(tái)結(jié)構(gòu)研究    張寶鈞

考慮花園覆土附加荷載的群樁沉降分析    唐翔

單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)耦合動(dòng)力響應(yīng)研究    張二虎