近海风力机单桩式塔架风波载荷及其影响因素研究

摘要

近年来，安装于近海处的海上风力机的装机容量越来越大，准确地分析其所受到的随机风和波浪载荷是风力机设计中需要考虑的重要问题，而这类风力机的塔架基本上采用单桩式结构基础，其底部有很长一部分与泥沙接触，桩土作用对整个风力机的动力特性有很大影响，研究泥沙对塔架的作用对于海上风力机的结构设计及稳定性运行具有重要的意义。
　　 本文依托国家自然科学基金项目“基于刚-柔多体系统模型的风力机气动弹性稳定性分析”，在充分研究了国内外现有成果的基础上，本文对海上风力机单桩式塔架随机风载荷、波浪载荷计算及其在泥沙的非线性约束作用下的动力响应与动力特性进行了研究，包括：
　　 1.从海上风力机单桩式塔架与海底泥土受力原理出发，结合实际的地质资料，选取合适的p-y曲线建立塔架的桩土作用力学模型，应用分布的非线性弹簧模拟桩土相互作用，分析单桩式塔架与泥沙载荷相互作用以及泥沙特性对塔架动力响应与力学特性的影响。
　　 2.对现有的各种波浪理论进行了详细的分析与推导，根据塔架安装点的海洋环境参数，确定了描述随机海浪的方法。研究了波浪载荷中相关参数的选取方法。
　　 3.分析了海上风力机叶轮和塔架的气动载荷，给出了各自的求解方法，对于塔架的空气绕流问题进行了研究，探讨了塔架工作时气动力系数的取值问题。
　　 4.根据已经求得的塔架风浪载荷及泥沙载荷建立有限元结构动力学方程，分别运用P-M和JONSWAP波浪谱模型，求出了塔架在风载荷、波浪载荷及泥沙载荷作用下的动力响应，分析了塔架在有无泥沙载荷作用下的差异，采用有限元软件研究了不同泥沙参数对塔架模态和动力响应的影响，结果证明了泥沙变形的非线性特性对海上风力机单桩式塔架的作用不可忽略。
　　 本文运用有限元数值方法对海上风力机的塔架进行结构动力学分析，考虑了泥沙载荷及风浪载荷的耦合作用，使得近海风力机载荷模拟更接近实际，分析泥沙对单桩式塔架的固有频率的影响，为预防共振的发生及设计合理的埋土深度和具体的结构形式提供理论依据。