超大型海上风电浮式平台的水弹性响应分析

论文摘要

21世纪是人类开发海洋能源的时代,而海上风能是众多能源中开发利用较清洁的资源。现在绝大多数的海上风力发电结构型式都是近海桩基型的,面对开发海上风能的速度加快,未来发展大型远海浮式风电场是必然趋势。在由浅海向深海发展的过程中势必会使得风力发电技术产生重大的技术性变革,最基础的就是需要对风力机搭载平台进行重新设计。由于海上大型浮式风电场平台属于超大型浮式结构物(VLFS),需要考虑平台在波浪中的弹性变形情况(即流固耦合),因此要采用近五十年发展起来的水弹性理论方法求解。目前关于水弹性研究的方法主要分为直接计算法和模态分析法。本文采用了模态分析法,将浮体结构物简化为梁,计算其在空气中的干模态,采用势流理论求解水动力。根据三维水弹性理论和三维刚体势流理论的区别,主要是物面边界条件的不同,继而通过改变物面边界条件,将三维水弹性理论退化为三维刚体理论。这种简化方法能够快速有效地求解结构在波浪中的水弹性响应。本文重点探讨这种简化方法在大型浮式结构物平台的工程实用性。首先,介绍了结构动力学的理论知识,为求解结构的干模态寻找合适快速的方法。通过许多相关研究的成果可知,对于梁式的大型结构物可以采用简单的梁解析法求解结构特性。其次,对比较成熟的三维刚体势流方法,以及考虑结构体弹性效应的三维线性水弹性理论方法进行了详细的论述,从中得到两种计算方法的主要区别在于水弹性理论需要考虑广义流固耦合边界条件。通过改变物面边界条件,以及对运动响应方程的修改,将三维水弹性理论退化为三维刚体势流理论。在此基础上,求出运动响应的主坐标,用刚性位移幅值表示结构各阶弹性模态幅值。通过一个示例,将本文所用方法的计算结果与其他相关研究计算的结果进行比较分析,两种结果在趋势上基本一致,从而验证本文的简化方法在求解大型浮式结构物的水弹性分析的可行性。再次,给出了海上风电场平台的理念设计型式,对其进行水弹性和刚体理论的计算分析。计算给出了刚体运动响应传递函数;结构的垂向弯曲模态响应幅值,以及沿轴向整体结构的垂向位移幅值分布、弯矩分布等。通过讨论三维刚体与水弹性理论得出的弯矩分布图,证明水弹性理论考虑了结构的弹性变形,计算结果更能满足工程实际情况的要求。最后,将两种波浪外载计算方法得到的载荷值施加到结构上进行静力分析,比较垂向位移、轴向应力等,摸索三维刚体方法与本文提出的三维水弹性简化方法计算结果的异同点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 立题背景及国际上的研究概况
• 1.2 水弹性响应研究概况
• 1.3 本文主要工作
• 2 浮式结构物的结构动力学
• 2.1 静位移和动位移
• 2.2 单元的刚度矩阵和质量矩阵
• 2.3 结构阻尼
• 2.4 节点力和外载荷
• 2.5 系统的运动方程
• 2.6 系统的固有频率和主坐标
• 2.7 Bernoulli-Euler 梁解析解
• 2.8 本章小结
• 3 浮体的三维刚体势流理论
• 3.1 浮体在规则波中线性响应的定解条件
• 3.2 物面边界条件
• 3.3 线性波浪诱导运动和载荷的数值计算方法
• 3.4 广义波浪激励力
• 3.5 运动方程的建立和求解
• 3.6 本章小结
• 4 三维线性水弹性计算方法
• 4.1 位移矢量的定义
• 4.2 广义流固耦合边界条件
• 4.3 弹性体受到的广义流体力
• 4.4 频域线性水弹性力学运动方程的建立及求解
• 4.5 本章小结
• 5 水弹性计算的简化方法
• 5.1 简化方法分析
• 5.2 算例验证
• 5.3 本章小结
• 6 两种波浪载荷计算方法的比较和分析
• 6.1 风电场模型的确定
• 6.2 有限元模型的建立
• 6.3 三维刚体水动力计算结果
• 6.4 三维水弹性简化方法计算结果
• 6.5 本章小结
• 7 结构强度的分析
• 7.1 有限元方法在船体结构分析中的应用
• 7.2 波浪载荷的施加方法
• 7.3 计算结果图形显示
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果