近海风电基础流固耦合三维动力响应分析

论文摘要

随着能源的枯竭、环境的恶化,清洁无污染的可再生能源就成为各国争相研究与应用的焦点。而风能是目前发展较为成熟的一种新型能源,已经逐渐在新能源产业中起到了领军作用。我国拥有漫长的海岸线,近海风能资源丰富,用电负荷中心又大多集中于东部沿海地区,海上风能必将成为我国今后可持续发展的主要能源之一。风电机组的基础关乎整个风机运行的安全,而且又被认为是造成海上风电成本较高的因素之一,大力发展比较经济的基础结构是海上风电场研究开发的主要课题。海上风电机组基础结构的设计要考虑海床的地质结构情况、离岸距离、海上风、浪载荷特性以及海流、冰等的影响。本论文就以江苏盐城响水风电场建设项目为依托,采用数值分析的手段,利用大型通用软件ADINA进行模拟,选用适合实际工程的材料本构模型,建立风机、基础、水、海床的三维计算模型,分析风电基础整体结构的静力以及考虑流固耦合的动力响应,考虑采用简谐循环荷载等效替代近海风电场风、波浪和水流等复杂动力荷载的方法,为工程设计提供必要依据。本论文主要成果有:(1)建立近海风机单桩基础三维有限元模型,进行无水层与考虑水为势流体时结构的模态分析,得到结构的自振频率和振型。水层显著减小了结构的高阶频率,同时也就增大了低阶频率的范围,增大了结构的危害程度。所以,对结构进行动力耦合频域分析是非常必要的。通过验算本文1.5MW风机单桩基础时能够避开叶轮旋转激励频率1P和3P一定范围,满足工程要求。(2)对单桩基础模型进行静力分析可知,结构竖向沉降量最大值为0.35m,出现在桩体附近的淤泥层,桩与塔身的沉降量沿高度方向近似呈线性减小,变化范围在0.005m~0.032m,均很小,对结构稳定性无影响;风力荷载是影响风机水平位移的主要响应源,对结构沉降影响不大。桩与塔身的沉降与顺风向水平位移均很小,对结构稳定性无影响。(3)通过单桩基础风机结构、水流的动力耦合分析,加载周期水流速度荷载,在软弱的淤泥层出现较大位移,其中耦合模型的沉降量90%发生在第一个半周期,耦合模型中桩、塔身沿高度的沉降曲线形状与静力结果相同,但是整体位置发生了变化。从淤泥层往上,桩体、塔身均不发生沉降,相反会向上抬升,主要是因为风荷载与水流动力荷载耦合作用导致;当水流荷载与风荷载方向相同时,耦合模型的水平位移发展明显,周期内其他时间位移发展缓慢。相对土体,塔身迎风面和背风面应力较大。(4)建立近海风机四桩基础三维有限元模型,进行无水层与考虑水为势流体时结构的模态分析,得到结构的自振频率和振型,验算后可知四桩基础时风机仍然能避开叶轮旋转激励频率1P和3P一定范围。同时,对比添加水层为势流体前后结构的自振频率可知,水层显著降低了结构的高阶频率。四桩基础结构的自振频率,即第一阶和第二阶频率,较单桩基础有所提高,由于动力荷载的频率一般偏小,故有利于避开动力荷载的频率。(5)对四桩基础风机结构进行静力分析可知,与单桩基础类似,风荷载对沉降影响较小,仍然为结构产生水平位移的主要响应源,同时量值有所减少,说明四桩基础的静力承载力较单桩基础高,有利于风机稳定性。(6)加载与单桩基础相同的周期水流速度荷载后,对结构、水流的动力耦合分析,结果类似单桩基础,淤泥层最外边缘存在最大沉降,且其沉降主要发生于第一个半周期。桩、塔身总体沉降量均非常小,均对结构不构成威胁。其中,迎风面位置桩的沉降均小于背风面位置桩同高度处的沉降量,单根桩内部其顶部沉降量较底部要大,对于塔身,沉降量沿高度方向呈减小趋势,在顶部存在略微波动;水平位移在加速度由最小峰值向最大峰值发展时增大明显,周期内其他时间增大平缓些。四桩基础的应力分布整体较单桩基础时要小,有利于结构稳定。(7)综合分析静力、动力分析结果可知,对于风机结构这类存在动力荷载的结构,必须进行动力耦合计算,以验证结构的稳定性;对比单桩与四桩基础,沉降特性、水平位移、应力以及塑性区等方面规律非常类似,在不计算生产与建设成本时,四桩基础显然较单桩基础要好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 与陆上风电场相比，海上风电具有的优点
• 1.1.2 国外风电发展概况
• 1.1.3 国内风电发展概况
• 1.2 研究现状
• 1.3 本论文研究内容
• 第二章 海上风机基础
• 2.1 海上风电机组基础的形式
• 2.1.1 单桩基础
• 2.1.2 重力式基础
• 2.1.3 三脚架基础
• 2.1.4 四脚架基础
• 2.1.5 多桩基础
• 2.1.6 浮式基础
• 2.1.7 导管架式基础
• 2.1.8 吸力式基础
• 2.2 海上风机基础类型选址、选型的影响因素
• 2.2.1 场址选择需考虑的因素
• 2.2.2 基础类型选型的影响因素
• 2.2.3 基础类型详细设计需注意事项
• 2.3 海上风机基础防腐蚀、防冲刷设计
• 2.3.1 防腐蚀设计
• 2.3.2 防冲刷设计
• 2.4 桩基承载力研究现状及水平
• 2.4.1 竖向荷载下基桩的研究现状
• 2.4.2 横向荷载下基桩的研究现状
• 2.4.3 复合荷载下基桩的研究现状
• 2.5 本章小结
• 第三章 有限元数值分析
• 3.1 有限元方法的发展
• 3.2 有限元分析软件ADINA
• 3.2.1 ADINA 的特点
• 3.2.2 材料本构模型
• 3.2.3 ADINA 的流固耦合分析以及势流体
• 3.3 建立有限元三维模型
• 3.4 荷载分析
• 3.4.1 风荷载
• 3.4.2 水流荷载
• 3.5 模态分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 近海风机单桩基础的有限元分析
• 4.1 有限元模型
• 4.2 模态分析
• 4.2.1 结构自振模态分析
• 4.2.2 考虑水为势流体时结构的模态分析
• 4.3 静力分析
• 4.3.1 沉降特性
• 4.3.2 水平位移分析
• 4.4 动力耦合分析
• 4.4.1 沉降特性
• 4.4.2 水平位移分析
• 4.4.3 应力分析
• 4.4.4 塑性区
• 4.5 本章小结
• 第五章 近海风机四桩基础的有限元分析
• 5.1 有限元模型
• 5.2 模态分析
• 5.2.1 结构自振模态分析
• 5.2.2 考虑水为势流体时结构的模态分析
• 5.3 静力分析
• 5.3.1 沉降特性
• 5.3.2 水平位移分析
• 5.4 动力耦合分析
• 5.4.1 沉降特性
• 5.4.2 水平位移分析
• 5.4.3 应力分析
• 5.4.4 塑性区
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介