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海上风电机组整体桁架式支撑结构动力特性与疲劳研究

作　者: 刘建军
导　师: 黄维平
学　校: 中国海洋大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 海上风电整体桁架结构动力分析疲劳损伤
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

进入二十一世纪以来,能源紧张与温室气体效应已经成为人们面临的两大主题。世界各国都在积极探索发展新型能源,特别是清洁可再生能源。因此,风能、太阳能等可再生能源已在世界范围内受到重视,尤其是近海风能就更是许多发达国家开发的重点。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域,使得近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。发电成本是海上风电发展的瓶颈.研究表明,按照目前的技术水平和20年设计寿命计算,海上风电的发电成本约合人民币0.42元(或0.05美元)／kWh。而影响海上风电成本的主要因素是基础结构成本(包括制造、安装和维护1。目前,海上风电场的总投资中,基础结构占15～25%,而陆上风电场仅为5～10%。因此,发展低成本的海上风电基础结构是降低海上风电成本的一个主要途径。本文的研究工作包括如下几个方面：(1)在研究各种海上风电支撑结构的基础上,提出一种整体桁架式海上风电支撑结构。采用了风机与支撑结构整体计算的方法求得系统的固有频率,并利用有限元分析软件ANSYS建立水深为10m的整体桁架结构的力学模型,进行模态分析。得出固有频率值,以确定结构不会与风机的工作频率耦合发生共振。同时与当前海上风电场流行的支撑结构单柱式支撑结构进行比较。(2)采用风机运转载荷与环境载荷联合的方法对支撑结构进行强度分析。在此基础上研究了风机载荷、风、海浪、流和冰单独作用的情况下对整体桁架式与单柱式支撑结构不同动力作用,并作了比较。然后研究了极端工况和操作工况下支撑结构的动力分析,得出关键部位单元的位移和等效应力时程曲线。(3)利用Miner线性累积疲劳损伤算法以及雨流计数法理论,通过MATLAB编程估算了整体桁架式支撑结构的疲劳寿命。研究表明：整体桁架式支撑结构的强度利用率较单柱式结构有所提高。此外,整体桁架式结构具有环境载荷(不包括风机载荷)小,材料、制造和安装成本低的特点,而且还符合我国目前海洋工程的施工技术水平,可利用现有的海洋工程施工机具和装备进行海上安装。本论文提出整体桁架式海上风电机组支撑结构；同时提出了风机运行载荷与环境载荷耦合动力分析方法,突破了DNV规范仅采用环境组合进行动力分析的设计方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-21
  1.1 选题意义  11-12
  1.2 国内外海上风电发展及研究状况  12-20
    1.2.1 海上风电机基础类型  15-16
    1.2.2 海上风电基础结构研究现状及发展趋势  16-19
    1.2.3 我国海上风电基础结构的适用性分析  19-20
  1.3 本文研究工作  20-21
2 海况资料与设计载荷分析  21-30
  2.1 海况基本资料  21
  2.2 强度设计载荷  21-26
    2.2.1 风机运行载荷  22-24
    2.2.2 风载荷  24-25
    2.2.3 浪流载荷  25-26
    2.2.4 海冰载荷  26
  2.3 动力设计载荷  26-29
    2.3.1 风机运转载荷  26
    2.3.2 风荷载  26-27
    2.3.3 浪流载荷  27
    2.3.4 海冰载荷  27-29
  2.4 本章小结  29-30
3 支撑结构的设计及模态分析  30-43
  3.1 支撑结构的设计  30-34
    3.1.1 单柱式(Monopile)支撑结构的设计  30-32
    3.1.2 整体桁架式(whole truss)支撑结构的设计  32-34
  3.2 模态分析  34-40
    3.2.1 建立结构力学模型  34-35
    3.2.2 模态分析  35-40
  3.3 支撑结构尺寸对固有频率的影响  40-42
  3.4 本章小结  42-43
4 支撑结构的特性分析  43-63
  4.1 风机的偏航作用  43
  4.2 强度分析  43-46
  4.3 动力分析  46-62
    4.3.1 单工况动力分析  47-54
    4.3.2 动力耦合分析  54-62
  4.4 本章小结  62-63
5 支撑结构的疲劳性能分析  63-72
  5.1 疲劳分析方法  63-68
    5.1.1 雨流计数法  64-67
    5.1.2 Miner线性累积疲劳损伤模型  67
    5.1.3 S-N曲线  67-68
  5.2 疲劳环境条件  68-69
  5.3 疲劳寿命的计算  69-71
  5.4 本章小结  71-72
6 结论与展望  72-74
  6.1 研究结论  72-73
  6.2 研究展望  73-74
参考文献  74-78
致谢  78-79
个人简历  79
攻读硕士期间撰写论文  79
攻读硕士期间申请专利  79

海上风电机组整体桁架式支撑结构动力特性与疲劳研究

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