海上风机基础结构超单元计算方法研究

摘要

风电作为一种清洁能源，越来越受到世界各国的青睐。由于陆地上可开发的优质风能资源愈发减少，全球风电场建设己出现从陆地向海上发展的趋势。海上风电场建设，特别是近海海域，将面临复杂环境及地质条件，而如何能够准确预报上述复杂环境条件联合作用下海上风机结构响应成为海上风电发展面临的关键技术难题。 整体耦合分析方法已被用于海上风机结构研究，特别是浮式风机。基于该方法可直接建立包含转子-机舱-控制-塔筒-基础结构的海上风机整体计算模型。有必要指出，与浮式风机基础结构建模时所引入的刚体假定不同，将整体耦合模型应用于固定式海上风机时，基础结构建模的精细程度对于整体耦合模型数值仿真精度具有显著影响。而高度精细化的基础结构有限元模型将意味着显著增加的计算成本，特别是对于高桩承台等复杂基础结构。 目前，在满足计算精度的前提下，同时兼顾计算效率，仍普遍采用半整体方法开展固定式海上风机基础结构的设计和研究。海上风机半整体方法的核心为如何准确得到基础结构超单元矩阵，以建立转子-机舱-塔筒-超单元的半整体计算模型，并联合精细有限元模型准确得到复杂基础结构响应。本文拟以海上风机基础结构超单元计算方法为核心，开展如下研究工作： （1）基于Guyan、SEREP和C-B方法等基本理论开发海上风机基础结构超单元计算软件。 （2）基于Guyan、SEREP和C-B凝聚方法得到了海上风机基础结构超单元矩阵，建立相应半整体模型，并验证其计算精度。 （3）开展Guyan、SEREP和C-B方法的计算参数选取原则研究；并探讨了不同基础类型和不同荷载作用对于超单元矩阵凝聚方法的影响。 （4）通过与海上风机整体耦合模型的对比，明确了SEREP和C-B方法的适用性。 通过本次研究，深入探讨海上风机半整体模型与整体耦合模型的差异，揭示Guyan、SEREP和C-B方法等计算参数对于基础结构超单元矩阵及海上风机半整体模型计算精度的影响机理。进一步，提出适用于海上风机基础结构超单元计算的凝聚方法、凝聚方法关键参数选取依据及选取原则。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 海上风机结构半整体分析方法

1.2.1 基于半整体法的动力响应分析

1.2.2 基于半整体方法的海上风机疲劳分析

1.3 基于整体耦合模型的海上风机动力反应分析

1.3.1 风浪联合作用下海上风机动力响应

1.3.2 基于整体耦合分析方法的疲劳分析

1.4 研究目标

1.5 技术路线

2 海上风机基础结构超单元计算理论

2.1 基础结构超单元计算方法

2.1.1 Guyan方法

2.1.2 SEREP方法

2.1.3 Craig-Bampton方法（C-B）

2.1.4 三种凝聚方法的理论差异

2.2 逐步积分法基本理论

2.3 基础结构超单元计算软件

2.3.1 软件开发技术路线

2.3.2 主要功能模块

2.4 样本风机主要结构参数

2.4.1 上部结构

2.4.2 塔筒结构参数

2.4.3 基础结构主要参数

2.5 本章小结

3 海上风机基础结构超单元计算方法对比

3.1 超单元计算软件验证

3.1.1 基础结构动力特性验证

3.1.2 基础结构动力响应验证

3.2 基础结构超单元计算

3.2.1 基于Guyan方法的基础超单元计算

3.2.2 基于SEREP方法的基础超单元计算

3.2.3 基于Craig-Bampton（C-B）方法的基础超单元计算

3.3 基础结构动力特性计算对比

3.4 本章小结

4 基础结构超单元计算精度影响因素研究

4.1 计算工况及荷载参数

4.1.1 计算工况

4.1.2 随机荷载参数

4.2 Guyan方法计算精度影响因素

4.3 SEREP方法计算精度影响因素

4.3.1 主自由度影响研究

4.3.2 主模态影响研究

4.4 C-B法计算精度影响因素

4.4.1 外部节点选择影响研究

4.4.2 主模态影响研究

4.5 作用荷载类型影响研究

4.6 基础结构类型影响研究

4.7 本章小结

5 海上风机半整体与整体耦合模型对比

5.1 计算工况

5.2 样本风机半整体和整体耦合分析模型

5.2.1 转子-机舱-塔筒-超单元结构运动方程

5.2.2 整体耦合模型运动方程

5.3 半整体模型与整体模型动力特性对比

5.4 稳态风场作用下计算模型对比

5.5 随机风场作用下计算模型对比

5.5.1 随机风场工况塔筒顶部风机荷载

5.5.2 随机风场工况塔筒加速度

5.6 本章小结

6. 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢