海上浮式风机系泊缆索动张力特性分析

摘要

海上浮式风机(FOWT)是近期内最具开发潜力的新型风电技术。系泊缆索用于风力机牵引定位，将风力机承受的风浪载荷传递到海底，是风力机安全稳定运行的保证。风浪载荷作用下海上浮式风机基础存在大幅度运动，系泊缆索呈现出显著的非线性特性，尤其当处于松弛-张紧交替状态时，缆索张紧力变化异常复杂，可能出现很高的动态张紧力而导致系泊系统断裂失效。本文围绕深海系泊缆索动张力特性开展理论与仿真建模与分析，研究典型风浪载荷下动张力变化规律及其影响因素，为海上浮式风机系泊系统设计提供理论依据。本文主要研究内容如下：
　　（1）基于叶素动量理论（BEM）建立了风力机叶片的气动载荷计算模型，通过编程计算获得了叶轮推力、转矩；采用Jonswap谱描述波浪载荷，考虑波浪的衍射和辐射作用，计算浮式风机的水动力载荷；建立了系泊缆索张紧、松弛状态下的风力机运动学方程，缆索的松弛-张紧区域根据阻尼比、频率比和位移比确定。以NREL5MW海上浮式风机为研究对象，分析了不同风浪载荷下和预紧力下风力机的运动响应以及缆索的动张力变化规律。
　　（2）推导了系泊缆索的悬链线式方程，并根据方程给出系泊缆索的初始位置；采用多刚体离散方法建立系泊缆索的等效动力学模型，将离散刚体段视为柔性悬臂梁，推导了相邻刚体间连接弹簧刚度系数表达式；基于ADAMS软件建立海上浮式风机整机刚柔耦合动力学模型，研究了稳态和瞬态工况下海上浮式风机整机运动下的系泊缆索动张力特性。
　　（3）分析了系泊缆索的布置数量、布置角度对其系泊缆索动张力的影响；研究了系泊缆索单根或多根的断裂失效对系泊缆索动张力的影响，并提出一种系泊缆索断裂失效的判断方法。

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第一章 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究综述

1.3 本文主要研究内容

第二章 系泊缆索松弛-张紧状态及其动张力分析

2.1 海上浮式风机载荷计算

2.2风力机运动方程的建立

2.3实例分析

2.4本章小结

第三章 基于系泊缆索多刚体等效建模的整机动力学模型

3.1海上浮式风机刚柔耦合动力学建模流程

3.2系泊缆索的多刚体等效建模方法

3.3考虑系泊缆索的海上浮式风机整机刚柔耦合动力学模型

3.4 海上浮式风机整机刚柔耦合模型

3.5本章小结

第四章 典型工况下海上浮式风机系泊缆索动张力分析

4.1稳态工况下系泊缆索的动张力分析

4.2 瞬态工况下系泊缆索的动张力分析

4.3 本章小结

第五章 系泊缆索动张力特性的影响因素分析

5.1 系泊缆索数目对其动张力的影响

5.2系泊缆索布置角度对其动张力的影响

5.3系泊缆索断裂失效及其动张力变化

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间参研项目和研究成果