复杂海况下竖轴水轮机载荷及连接结构疲劳分析

摘要

漂浮式竖直轴潮流能发电装置在海洋环境中工作会受到复杂的海洋环境载荷作用，使整个发电装置发生摇荡运动，影响竖直轴水轮机的工作性能，减少整个发电装置的预期寿命，甚至在作业中发生断裂失效，所以需要对复杂海况下漂浮式竖直轴水轮机发电装置的运动及受力进行详细研究。在整体结构中，法兰连接结构是整个发电装置的薄弱环节，法兰螺栓在复杂海况下易发生疲劳断裂，容易造成重大安全事故。因此本文对漂浮式潮流能电站在复杂海况下的受力及运动进行研究，并对法兰连接结构在复杂海况下的静强度及疲劳寿命进行分析。
　　本文首先对复杂的海洋环境载荷进行分析，主要对海风载荷、波浪载荷、海流载荷进行理论描述，运用风谱和海浪谱来描述风载荷和波浪载荷的不规则运动，选择了漂浮式潮流能发电装置的工作海况和极限海况。其次，对漂浮式潮流能发电装置的载体进行动力学分析，建立三个坐标系来描述浮式载体的运动。通过 AQWA对浮式载体在复杂海况下的运动响应进行分析，分别得到了频域和时域下浮式载体六个自由度的运动响应；再次，通过单盘面单流管模型和叶素理论得到水轮机工作时主轴-法兰连接处的受力情况。根据 AQWA分析软件对发电装置的浮式载体进行了水动力特性分析，并选取了设计波的相关参数。
　　根据设计波的参数，通过 AQWA-WAVE将流体力载荷及惯性载荷映射到 ANSYS静力分析模块下，对整个漂浮式潮流能发电装置进行静强度分析，对应力较大的连接法兰与法兰连接螺栓结构进行了静强度分析。最后通过时域分析结果编制了载荷谱，通过nCode对法兰连接结构进行疲劳寿命分析。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本文研究意义及目的

1.2 漂浮式竖直轴水轮机发电装置的研究现状

1.3 复杂海况下海洋结构物疲劳强度分析的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 复杂海况下海洋载荷分析

2.1 潮流电站选型

2.2 风载荷

2.3 海流载荷

2.4 波浪载荷

2.5 海浪谱及谱分析法

2.6 海况数据

2.7 本章小结

第3章 基于AQWA的复杂海况下载体运动响应分析

3.1 浮式载体运动响应基本理论

3.2 基于AQWA的浮式载体运动响应分析

3.3 本章小结

第4章 竖直轴水轮机及浮式载体水动力特性研究

4.1 竖直轴水轮机水动力分析

4.2 基于AQWA浮式载体水动力特性分析

4.5 本章小结

第5章 复杂海况下水轮机法兰连接结构强度及疲劳分析

5.1 竖直轴潮流能发电装置结构强度分析

5.2 法兰连接结构强度分析

5.3 法兰连接结构疲劳分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果

致谢