钢筋混凝土海上浮式风机基础平台的性能研究

摘要

当前的海上风电场一般采用固定式基础,但在水深大于50m的海域,固定式基础因成本过高而不再适用,浮式风机为开发深水海域的风能资源提供了一种较经济的选择。虽然国际上已提出了很多概念设计方案,并且已有数座浮式风机进行了全尺寸样机试验,如挪威的Hywind,美国的WindFloat和日本的CompactSemi-sub等;但世界上至今还是没有浮式风电场,究其原因还是浮式风机的成本太高,而钢结构的浮式平台可能是造成其成本过高的因素之一。
　　相对于目前浮式平台主要采用的钢结构,钢筋混凝土结构具有成本低、耐腐蚀和施工简便等优点。因此本文提出了适用于5 MW风机的钢筋混凝土半潜型浮式风机平台的概念设计方案,并进行了稳定性、水动力性能和强度等性能研究,研究结果表明概念设计方案满足相关规范的要求,证明了钢筋混凝土浮式风机平台的可行性。主要内容有:
　　(1)总结了浮式风机的发展现状,提出半潜型浮式风机平台的初步设计流程图和今后优化设计的方向;综述了半潜型浮式风机平台在性能分析方面的研究,包括稳定性分析、水动力性能研究和强度分析等,提出了在这些研究领域中有待进一步解决的问题。
　　(2)基于重心移动原理,考虑浮式平台的静平衡角和摇摆周期等因素,提出了适用于半潜型浮式风机平台的初稳性高度限值计算公式;从进水角的角度分析浮式风机平台在大倾角稳定性中的最不利倾斜轴问题;采用SESAM软件建立概念设计方案中浮式平台的数值模型,研究了其完整稳定性和破舱稳定性。
　　(3)介绍了波浪力计算的相关理论,推导浮体在波浪荷载作用下的运动方程;建立半潜型浮式风机平台的水动力模型,计算了浮式风机平台在横摇、纵摇和垂荡三个自由度上的响应幅值算子(Response Amplitude Operators,简称RAOs),分析了RAOs的幅值和峰值周期;最后研究了垂荡板结构对垂荡响应的影响。
　　(4)建立浮式平台的整体有限元模型,采用规范推荐的方法计算风荷载和流荷载,采用基于谱分析的方法对不同荷载工况下的波浪周期和浪向进行搜索,在频域内计算关键截面的内力荷载量的响应谱曲线,以确定最危险浪向、周期和相位等设计波参数;然后根据相应的组合系数对不同荷载引起的内力进行组合,以获得浮式风机平台的整体和构件的内力云图,最后分析钢筋混凝土浮式风机平台的整体强度和关键节点强度。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 浮式风机的基础型式

1．1．2 浮式风机的发展概况

1．2 研究现状和不足

1．2．1 半潜型浮式风机平台的概念设计

1．2．2 半潜型浮式风机平台的性能研究

1．3 研究目标与思路

1．3．1 研究目标

1．3．2 总体思路

第2章 钢筋混凝土浮式风机平台的概念设计

2．1 概述

2．2 半潜型浮式风机平台

2．2．1 发展现状

2．2．2 概念设计

2．3 设计条件

2．4 概念设计方案

2．5 小结

第3章 半潜型风机平台的稳定性研究

3．1 概述

3．2 理论研究

3．2．1 稳定性规范衡准的对比分析

3．2．2 初稳性高度的限值计算公式

3．2．3 大倾角稳定性的最不利倾斜轴

3．3 计算模型

3．4 稳定性分析

3．4．1 完整稳定性分析

3．4．2 完整稳定性的最不利倾斜轴

3．4．3 破舱稳定性分析

3．5 小结

第4章 半潜型风机平台的水动力性能研究

4．1 概述

4．2 理论基础

4．2．1 波浪力的计算理论

4．2．2 浮体运动方程

4．2．3 响应幅值算子

4．3 计算模型与参数

4．3．1 计算自由度

4．3．2 计算模型

4．3．3 模型参数

4．4 结果与分析

4．4．1 计算结果与分析

4．4．2 不同垂荡板尺寸分析

4．5 小结

第5章 基于谱分析法半潜型风机平台的强度分析

5．1 概述

5．2 计算模型

5．3 荷载计算

5．3．1 风荷载计算

5．3．2 流荷载计算

5．3．3 波浪荷载计算

5．4 内力计算与强度分析

5．4．1 内力组合

5．4．2 计算结果与分析

5．4．3 强度评估

5．5 小结

结论与展望

论文的主要研究成果

有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目