风车安装船站立稳定性的研究

摘要

风车安装船是一种用于海上风力发电机组安装与维护的专用工程船，拥有运输、起重、升降和航行的功能。风车安装船处于复杂多变的海洋自然环境中，其桩腿站立稳定性直接影响到船的作业性能和安全。
　　本文针对某公司风车安装船的站立稳定性，从桩腿的强度、刚度、非线性动位移和振动等方面进行了分析研究，主要研究结果如下:
　　1)研究了桩腿的制造工艺和建造方法，针对桩腿焊接过程中预热不均匀、层间温度不易控制的难题，提出了圆形桩腿的预热焊接方法和装置，建立了双面传热的理论模型，并进行了实际生产验证。制定了桩腿升降定位孔的开孔工艺规范，已成功应用到圆形桩腿的建造。
　　2)采用ANSYS软件建立了不同约束下圆形桩腿的有限元模型，即铰支模型和桩土相互作用模型，从静力、模态、非线性动力方面对桩腿进行了数值模拟，并进行比较研究。研究结果表明:铰支模型和桩土相互作用模型的静力计算值差异较大，其中两者在极限载荷下的应力都远低于桩腿材料的屈服强度;两种模型下桩腿的振动响应略微不同;铰支约束的弯矩曲线在桩端约束处出现了突变峰值，而桩土相互作用约束下的弯矩变化较为缓和。稳定性分析时桩土作用模型更合理，精度更高。
　　3)研究了桩腿屈曲理论公式，并在工程应用方面对比分析了其与数值方法的差异，通过算例分析了影响桩腿屈曲稳定性的因素，采用桩腿缩小比例模型进行了压杆稳定实验，研究结果表明:圆形壳式桩腿和八边形桩腿临界载荷的数值解与理论解分别相差1.9％和22.7％，理论公式在工程计算中适用性不强;定位孔的直径增大会降低桩腿的屈曲临界值;主板厚度的改变也会引起桩腿屈曲强度的变化;模型实验验证了桩腿屈曲稳定计算的必要性。
　　4)风车安装船桩靴经常发生滑移和拔桩困难，无法适应复杂海底环境，本文提出了一种可调桩靴和设计方案，在分析可调桩靴的机构运动学规律的基础上，采用数值分析法探讨了可调桩靴和传统桩靴在极限载荷下的应力、变形、屈曲稳定特性，采用理论对比分析了两种桩靴的拔桩能力。计算结果表明:带有可调桩靴的桩腿结构屈曲稳定能力显著增强，线性刚度平均变形减少了53.6％，其拔桩阻力低于传统桩靴，更易于拔桩，在设计中应妥善处理应力集中的现象，整体工程性能优越。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究的背景

1．2 风车安装船

1．2．1 风车安装船的发展概况

1．2．2 风车安装船简介

1．3 国内外研究历史和现状

1．3．1 平台的波浪载荷研究现状

1．3．2 站立稳定性的国内外研究现状

1．4 论文的研究内容及意义

1．4．1 论文的研究内容

1．4．2 论文的意义

第二章 风车安装船结构特点及其参数

2．1 桩腿的分布

2．2 风车安装船桩腿结构

2．2．1 八边形桩腿

2．2．2 圆形桩腿

2．3 桩腿焊接关键技术

2．3．1 焊接方法、焊接材料的选择

2．3．2 焊接工艺参数

2．3．3 预热和层间温度控制

2．3．4 双面预热性能分析

2．3．5 背部清根和消氢处理

2．4 桩腿升降定位孔

2．5 风车安装船桩靴结构

2．6 本章小结

第三章 风车安装船海洋环境载荷

3．1 风载荷

3．1．1 风速设计

3．1．2 风载荷计算

3．2 海流载荷

3．3 波浪载荷

3．3．1 波浪载荷计算

3．3．2 波浪理论及CD、CM的选择

3．4 外载荷计算结果

3．4．1 风载荷计算

3．4．2 波流耦合力计算结果

3．5 本章小结

第四章 风车安装船桩腿站立稳定性分析

4．1 建立有限元模型

4．1．1 单元类型的选取

4．1．2 风车安装船的建模参数选择

4．1．3 建立单桩铰支有限元模型

4．1．4 建立桩土相互作用有限元模型

4．2 静力分析

4．2．1 静力理论

4．2．2 约束和载荷施加

4．2．3 静力计算结果

4．3 结构模态分析

4．3．1 模态分析技术

4．3．2 约束和载荷施加

4．3．3 模态计算结果

4．4 瞬态动力分析

4．4．1 瞬态分析技术

4．4．2 载荷施加形式

4．4．3 瞬态分析结果

4．5 铰支模型与桩土作用模型计算结果对比分析

4．6 本章小结

第五章 风车安装船桩腿屈曲稳定分析

5．1 屈曲理论依据

5．2 理论计算结果

5．3 数值分析

5．4 影响桩腿稳定性的因素

5．4．1 定位孔直径对八边形桩腿载荷系数的影响

5．4．2 主板厚度对八边形桩腿载荷系数的影响

5．4．3 定位孔直径对圆形桩腿载荷系数的影响

5．5 实验验证

5．5．1 相似理论

5．5．2 模型选取

5．5．3 实验方案

5．6 本章小结

第六章 风车安装船可调桩靴及其性能分析

6．1 整体方案的设计

6．1．1 可调桩靴的结构设计

6．1．2 实施方案及关键问题

6．1．3 参数选取

6．2 机构运动学分析

6．3 建立有限元模型

6．4 性能分析

6．4．1 屈曲稳定

6．4．2 整体强度和变形

6．4．3 拔桩能力分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果