海上张力腿式风机支撑结构疲劳寿命分析

摘要

风能作为一种廉价的可再生能源，是新能源领域中世界各国大规模开发利用的能源之一。海上风电因为具有许多陆上风电无法比拟的优点，同时具有相当大的发展潜力，逐渐成为各国发展的新方向。海上风机支撑结构在空气动力载荷与水动力载荷的联合作用下，在整个设计寿命期内交变应力作用的循环次数非常高，极易发生疲劳破坏。所以，十分有必要深入研究海上风机支撑结构的疲劳问题。
　　本文以海上某风场的张力腿式风机支撑结构为研究对象，在空气动力载荷和水动力载荷的联合作用下，根据S-N曲线和线性疲劳累积损伤理论，对风机支撑结构进行了疲劳寿命分析。本文主要研究内容及相关结论如下：
　　（1）考虑风机机舱内部件与控制系统之间的耦合效应,建立海上张力腿式风机多体动力学有限元模型，同时考虑空气动力载荷和水动力载荷的耦合作用，首先对风机整体结构进行动力特性分析，其次对风机结构分别进行正常发电工况及停机工况下的动力响应分析。结果表明：风机整体结构的一阶固有频率有效避开了风轮激励频率，不会发生共振；相比于风载荷，波浪载荷是风机基础运动的主要控制载荷；张力腿式风机在选定的各种工况下的运动都在合理的范围内，并且在选定的六种正常发电工况下均可以保持稳定发电状态。
　　（2）采用DNV/SESAM软件建立张力腿式风机支撑结构有限元模型，将风载荷、空气动力载荷和波浪载荷施加到结构有限元模型上，对风机支撑结构进行总体强度分析，并根据 ABS规范进行强度校核，确定疲劳分析的热点区域。计算结果表明：张力腿式风机支撑结构总体强度满足规范要求，高应力区主要位于立柱与浮箱连接处。
　　（3）建立疲劳热点区域的局部结构网格细化模型，根据S-N曲线和线性疲劳累积损伤理论，分别计算出支撑结构在风机载荷和波浪载荷单独作用下的疲劳损伤值，分析了三种不同的叠加方法（线性叠加法、二次叠加法和等效应力异相叠加法）在风浪联合作用下对风机支撑结构疲劳寿命的影响，并给出了推荐做法。结果表明：采用等效应力异相叠加法更为合理，该方法计算出的支撑结构的疲劳寿命为22.22年，满足疲劳强度的规范要求。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 海上风机发展现状

1.3 海上风机基础结构形式

1.4 海上风机支撑结构疲劳研究现状

1.5 本文主要研究内容和创新点

第2章 海上风机环境载荷计算理论

2.1 风载荷

2.2 风机载荷

2.3 波浪载荷

2.4 海流载荷

2.5 本章小结

第3章 海上张力腿式风机动力响应分析

3.1 面向风机正向设计的S4WT软件介绍

3.2 海上张力腿式风机特征

3.3 海上张力腿式风机有限元模型的建立

3.4 海上张力腿式风机动力特性分析

3.5 海上张力腿式风机动力响应分析

3.6 本章小结

第4章 张力腿式风机支撑结构总体强度分析

4.1 张力腿式风机支撑结构总体强度分析流程

4.2 张力腿式风机支撑结构有限元模型

4.3 工况的选取

4.4 环境载荷的计算及施加

4.5 张力腿式风机支撑结构总体强度分析

4.6 本章小结

第5章 张力腿式风机支撑结构疲劳寿命分析

5.1 疲劳寿命分析方法

5.2 疲劳工况

5.3 疲劳热点和疲劳载荷

5.4 S-N曲线和疲劳设计因子

5.5 风机载荷作用下的疲劳分析

5.6 波浪载荷作用下的疲劳分析

5.7 风浪联合作用下的疲劳分析

5.8 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢