一种新型离岸风机基础的分析与应用

摘要

作为一种新型能源，海上风电具有无污染、可再生等优点，可是海上风机基础结构的建造费用高（超过整机建造费用的三分之一），施工难度大等不利因素限制了我国海上风电的发展。本文在考虑了海上风机基础结构的经济性、安全性的情况下，对一种带有混凝土夹层结构的离岸风机基础结构在环境载荷作用下的结构响应进行分析。主要内容如下：
　　1.确定主要环境荷载的计算方法及理论，对不同工况下的风载荷、波浪载荷进行计算与时域模拟。基于谐波叠加理论计算轮毂处随时间变化的自然风速，利用叶素-动量理论（BEM）得到风载荷时程曲线；基于随机海浪理论得到波面升高时程曲线，利用莫里森方程得到波浪载荷时程曲线。依据API相关规范，选取p-y曲线法模拟风机基础结构的边界条件，可较为准确地描述桩土之间的非线性作用。
　　2．介绍混凝土夹层结构的材料属性和基本结构及其性能，然后通过统一强度理论计算这种混凝土夹层结构的极限承载力，验证其是否能承受风机的重力载荷。通过对比模拟混凝土夹层结构的三种不同的有限元模型，来确定最合适的模型。
　　3.将新型离岸风机基础结构与普通三桩腿风机基础结构从经济性、安全性、稳定性方面进行对比分析。结果表明新型离岸风机基础可通过减少用钢量来节省成本；运用大型非线性有限元分析软件 ANSYS分别建立新型风机基础和普通三桩腿风机基础的结构有限元模型，对两个模型施加载荷，进行静力分析，结果表明在相同环境载荷作用下，从构件的屈服强度和稳定性方面来看，两种风机基础结构均满足材料的屈服、屈曲强度标准，且新型海上风机基础结构的计算结果优于普通三桩腿的基础结构。
　　4.通过对这种带有夹层结构的离岸风机基础进行模态分析，得到其振动特性。对单独载荷（风、浪载荷）作用及风浪联合作用时的风机基础结构进行瞬态动力分析，得到结构的应力、位移时程结果。将其与静力分析的结果进行分析对比，结果发现动力效应明显，所以在风机基础结构设计时必须要考虑动态效应。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 海上风电的发展现状及技术特点

1.3 海上风机基础的结构型式

1.4 海上风机基础结构研究现状

1.5 本文主要工作

第2章 海上风机的环境载荷及桩-土相互作用理论

2.1 概述

2.2 风载荷计算理论

2.3 波浪载荷计算理论

2.4 流载荷计算理论

2.5 桩-土相互作用理论

2.6 本章小结

第3章 混凝土夹层结构的分析方法

3.1 概述

3.2 混凝土夹层结构基本性能

3.3 混凝土夹层结构的极限承载力分析方法

3.4 夹层结构的有限元分析方法

3.5 本章小结

第4章 海上风机基础结构强度分析

4.1 海上风机基础结构概述

4.2 有限元基本理论

4.3 建立有限元模型

4.4 两种风机基础结构屈服强度分析

4.5 两种海上风机基础结构屈曲强度分析

4.6 本章小结

第5章 新型离岸风机基础结构的动力分析

5.1 新型离岸风机基础结构的模态分析

5.2 结构动力分析的基本方法

5.3 新型风机基础结构瞬态动力响应分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢