海上风机结构动力反应分析

论文摘要

海上风能作为一种清洁的、可再生的新能源,对于改善能源系统结构,保护生态环境具有深远意义。相对于陆地风机结构,海上风机结构所处的海洋环境十分复杂和恶劣,承受着多种随时间和空间变化的随机荷载,包括风、海浪、海流、海冰和潮汐作用于结构,有时还受到地震作用的威胁。目前我国海上风机塔架和基础结构的设计技术尚不成熟,并且缺少海上风机结构在各种复杂海洋环境荷载联合作用下分析的经验。因此,开展随机海洋环境下海上风机结构的动力响应分析对确保风机结构安全具有重要的意义,并对海上风力发电事业具有重大的实际应用价值。近海风机结构在随机环境荷载作用下的动力分析问题涉及空气动力学、结构动力学、土动力学等诸多学科,是属于近海结构破坏机理工程领域的重要课题。本文在缺少海上风机基础结构设计规范的前提下,学习与借鉴国内外学者的研究成果,参考海洋结构的设计方法,计算分析了近海风机基础结构的振动特性和不同荷载工况组合的结构动力反应。具体研究内容包括：（1）根据风的基本特性和风力机的气动性能,利用谐波合成法模拟了近海风机结构的风速时程。基于动量—叶素理论,模拟了随机空气动力荷载。为进一步研究脉动风场作用下的近海风机结构的动力反应分析提供了风荷载。（2）具体分析了海上风机结构所受到的风机荷载、波浪荷载、海流荷载和地震荷载等随机环境荷载。根据地质资料计算得出了p-y、t-z和Q-z曲线,建立了近海风机基础结构中桩—土相互作用的力学模型。详细介绍了在运用ANSYS软件对风机基础结构建模中所需的单元特性,并基于ANSYS程序建立了风机基础结构的有限元模型。（3）通过对近海风机基础结构的模态分析,计算得到了结构的振动特性。进一步计算分析了风机基础结构在风荷载、波浪荷载和地震荷载单独作用下的瞬态动力反应。并结合随机环境荷载下的不同荷载工况组合,研究了近海风机结构的设计控制工况。综上所述,本文主要研究了近海风力机在风时程荷载、波浪荷载和地震荷载等随机动力荷载作用下的动力响应,为近海风机结构在复杂海洋环境作用下的设计提供一些有工程应用参考价值的分析结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海上风力发电的发展现状
• 1.2.1 国内外海上风力发电的发展现状
• 1.2.2 海上风电场技术开发特点
• 1.2.3 海上风力机支承结构的结构形式
• 1.3 海上风力发电结构在复杂荷载作用下的研究现状
• 1.3.1 近海风力机气动荷载计算模型
• 1.3.2 环境荷载作用下近海风电机结构体系反应研究
• 1.4 海上风力发电研究的发展趋势
• 1.5 本文工作的主要目的和研究内容
• 2 近海风力机受到的随机风速时程模拟
• 2.1 引言
• 2.2 近海风力机的随机风场模型
• 2.2.1 风的基本特性
• 2.2.2 风的稳态平均风速
• 2.2.3 脉动风的特性
• 2.3 脉动风场风速时程数值模拟
• 2.3.1 海上风机风场的网格划分
• 2.3.2 脉动风速功率谱模型的选择
• 2.3.3 风速时程谐波合成数值模拟法
• 2.4 海上风机脉动风场实例模拟及结果分析
• 2.5 本章小结
• 3 近海风力机气动性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 风力机空气动力学基础理论
• 3.2.1 动量理论
• 3.2.2 叶素理论
• 3.2.3 动量-叶素理论
• 3.3 风力机风轮气动性能的设计
• 3.3.1 风轮气动性能计算原理
• 3.3.2 风轮气动性能的设计步骤
• 3.4 风力机气动荷载模拟计算
• 3.4.1 风力机基本参数
• 3.4.2 风力机气动性能计算
• 3.4.3 风力机气动荷载模拟计算
• 3.5 本章小结
• 4 近海风机随机环境荷载分析与桩—土相互作用力学模型
• 4.1 随机环境荷载分析
• 4.1.1 风机荷载
• 4.1.2 波浪荷载
• 4.1.3 海流荷载
• 4.1.4 地震荷载
• 4.2 近海风机结构—土相互作用力学模型
• 4.2.1 桩—土相互作用
• 4.2.2 桩—土相互作用计算理论
• 4.3 本章小结
• 5 海上风机基础结构动力反应分析
• 5.1 ANSYS单元特性
• 5.1.1 PIPE59单元
• 5.1.2 PIPE16单元
• 5.1.3 COMBIN39单元
• 5.1.4 MASS21单元
• 5.2 风机基础结构的有限元模型
• 5.2.1 海上风机基础结构描述
• 5.2.2 风机基础结构的有限元剖分模型
• 5.2.3 桩—土相互作用计算模型
• 5.3 风机基础结构模态分析
• 5.3.1 模态分析基本理论
• 5.3.2 风机基础结构模态分析结果
• 5.4 风机基础结构瞬态动力反应分析
• 5.4.1 瞬态动力学分析基本理论
• 5.4.2 单独动力荷载激励下结构的瞬态动力反应
• 5.4.3 荷载组合及计算工况
• 5.4.4 瞬态动力分析计算结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢