波浪作用下海上风电机组结构与基础相互作用与动力分析研究

摘要

随着传统能源煤、石油等的日益枯竭，可再生能源的开发在中国越来越显得重要。而风能作为新一代清洁的可再生能源之一，其发展前景相当广阔，发展势头也相当良好。中国风电产业发展迅速，尤其是近海风力发电。可是近海风电发展有着其特殊的技术难点。特殊的海上环境条件给风电机组的设计施工带来相当的困难。近海风电机组设计所要考虑的环境荷载比较复杂，有风、波浪和海流等荷载。这些环境荷载对着风机结构与设计起着决定性的作用。其中波浪荷载作为风机的控制荷载，荷载的大小直接决定着风机塔底所承受的剪力和倾覆力矩。同时，波浪荷载还存在着周期性，直接影响着风机的疲劳。可见波浪荷载对近海风机的设计和研究有着重大意义。
　　本文以江苏某海域水文地质条件为基础，海上单桩结构风电机组为例，采用了三维整体有限元建模，详细地分析了波浪作用下不同因素—结构速度、不同弹塑性模型和不同波浪理论对于海上单桩结构风电机组动力响应的影响。本文主要工作内容如下:
　　1、本文归纳比较了常见波浪理论—线性波、STOKES波和流函数理论的理论基础及公式表达。根据各个波浪理论的理论基础总结了其各自的适用条件和流函数理论及其数值解法。编写了能够求解任意阶流函数的Matlab计算程序，并且通过最速下降法和线性拟合法，将流函数数值解法中的非线性方程组求解问题转化为无约束最优化问题，实现了算法优化作用，提高了流函数数值解法的收敛性。定义了基于线性波和stokes波理论的稳定系数，验证了数值解法的可靠性。并且依据编写的Matlab程序，比较了相同波浪参数不同波浪理论下所求速度和加速度场的差距。
　　2、本文汇总并讨论了土体常见的弹塑性本构模型。基于有限元软件ABAQUS中的AQUA平台，介绍了AQUA平台中的线性波和STOKES波的分布加载方法，并开发了基于该平台支持流函数波的波浪子程序UWAVE。
　　3、本文基于江苏某海域水文地质条件，建立了以梁单元模拟桩体、实体单元模拟土体，以节点自由度耦合模拟桩土相互作用的桩土相互作用的ABAQUS有限元数值模型，并通过有限元计算分析验证了数值模型可靠性。
　　4、本文通过有限元软件ABAQUS对波浪作用下海上单桩式风电机组的动力响应进行了分析，探讨了在动力分析中，不同人工边界对于波浪动力分析的适用性以及不同弹塑性模型、结构速度和波浪理论对于波浪作用下单桩式风电机组动力响应的影响，得出部分值得借鉴的结论。
　　5、本文根据海上风电机组的工况和情况，提出了针对海上风机抗波浪设计准则，建议了海上风电机组桩基设计中的荷载组合和相关位移公式，得出固定人工边界在波浪动力分析中存在一定适用性的结论以及不同情况下结构桩基弯矩和顶点位移的相对大小关系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 全球风电发展现状

1．1．2 我国海上风电发展现状

1．2 国内外研究现状

1．2．1 波浪力研究现状

1．2．2 桩土相互作用研究现状与方法

1．3 论文研究内容及大纲

第二章 非线性波浪的数值解法与MATLAB实现

2．1 波浪运动的描述

2．1．1 基本方程

2．1．2 边界条件

2．1．3 初始条件

2．2 线性波理论

2．2．1 线性波基本假定

2．2．2 线性波边界条件的简化

2．2．3 线性波流场变量的表达式

2．3 斯托克斯波浪理论

2．3．1 斯托克斯波理论推导

2．3．2 斯托克斯三阶波

2．3．3 斯托克斯五阶波

2．4 流函数理论

2．4．1 流函数基本假定与函数表达

2．4．2 流函数的求解

2．4．3 非线性方程组的求解

2．4．4 编程中的数值方法

2．4．5 流函数求解步骤与流程图

2．4．6 流函数理论数值解法的验证

2．6 波浪理论的参数比较

2．7 本章小结

第三章 土体本构理论与UWAVE子程序的开发

3．1 桩土相互作用

3．1．2 简化模型法

3．1．2 实体建模法

3．2 土体的弹塑性本构关系

3．2．1 土体弹性模型

3．1．2 土体塑性模型

3．3 波浪力的施加方法

3．3．1 莫里森方程

3．3．2 水动力系数取值

3．3．3 桩身波浪荷载旋加方法

3．3．4 ABAQUS子程序UWAVE开发

3．4 土体人工边界问题

3．4．1 土体粘性边界

3．4．2 土体粘弹性边界

3．4．3 土体无限元边界

3．5 气动荷载施加

3．6 基础风荷载的施加

3．7 本章小结

第四章 有限元模型的确定

4．1 风机结构

4．2 水文地质资料

4．2．1 地质资料

4．2．2 水文资料

4．3 土体有限元参数取值

4．3．1 线弹性本构参数

4．3．2 多孔介质弹性模型参数

4．3．3 摩尔库伦与DP塑性模型参数

4．3．4 修正剑桥塑性模型参数

4．3．5 土体其他相关参数

4．4 土体边界条件的模拟

4．5 桩土相互作用模拟

4．6 本章小结

第五章 波浪作用下风机结构桩土相互作用分析

5．1 边界条件的影响

5．1．1 常见动力边界条件适用性的论述

5．1．2 固定边界的适用性分析

5．2 结构速度对于风机动力响应的影响作用

5．3 不同弹性模型对于风机结构动力响应的影响

5．4 不同塑性模型对风机结构动力响应的影响

5．5 不同波浪理论对于结构动力响应影响

5．6 风荷载对于结构动力响应的影响

5．7 安全性和适用性验证

5．8 本章小结

第六章 风电机组抗浪设计规范初步建议

6．1 引言

6．2 关于海洋波浪参数的取值建议

6．2．1 设计潮位的确定

6．2．2 设计海浪要素的确定

6．2．3 设计波浪组合

6．2．4 设计波浪的分类与组合

6．3 设计工况与荷载组合的建议

6．3．1 设计波况建议

6．3．2 风电机组桩基础设计工况组合

6．3．3 极限状态组合

6．3．4 分项系数和组合系数

6．4 波浪作用下桩基水平承载力计算建议

6．5 风机结构与桩基极限状态分析

6．6 波浪荷载作用下风机结构安全性和适用性建议

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 本文主要工作与结论

7．2 本文创新与工作

7．3 研究展望与不足

参考文献

附录

作者攻读硕士学位期间发表的论文

致谢