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海上风电安装船桩腿动载缓冲研究与强度分析

作　者: 汤晶
导　师: 杨启
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 风电设备安装船环境载荷强度分析橡胶缓冲设计
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 305次
引　用: 5次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
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

海上风电安装船桩腿动载缓冲研究与强度分析

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