超大型海上风机安装作业平台结构强度分析

摘要

近年来，为了解决日益紧缺的能源危机，发展海上风力发电已经成为各国政府非常重要的能源政策。欧洲是海上风力发电技术的领导者，海上风大浪高，风力资源非常丰富，适合海上风电项目的开展。海上风机安装作业平台是建设海上风电场的关键设备。
　　本文以一艘第三代超大型自航自升式海上风机安装作业平台为研究对象，这是一种全新的海洋工程作业平台，集自升、自航、运输、起重等功能于一体。该平台船型宽大扁平，其上装备有大型升降桩腿、800吨重型起重机、较大的甲板集中载荷，其主体和桩腿的强度是其设计难点。本文根据DNV规范要求，对其进行了平台主体及桩腿的结构强度有限元分析。
　　根据平台的工作要求以及总布置情况，确定了平台的功能载荷，包括恒定载荷以及可变载荷。根据DNV规范计算了平台主体以及桩腿在不同工况下所受到的风、浪、流等环境载荷。其中，风载荷及流载荷通过 DNV规范所建议的公式直接计算所得，桩腿所受的波浪载荷则是基于斯托克斯五阶波理论，通过计算机软件计算所得。
　　运用MSC.Patran软件建立了平台整体的有限元模型，选取了迁移、自升、预压、起吊、自存等典型工况，施加合理的载荷及边界条件，对平台主体进行了12种工况下的有限元分析，得到了不同工况下平台详细的应力分布以及变形情况。计算结果表明平台结构满足规范要求。迁移工况的应力水平较小，其受力情况同运输船舶相似，而在平台自升后，其应力水平显著上升，起吊时最大应力位置位于起重机所在桩腿与平台连接处，风暴自存工况下的应力水平最大，接近材料的许用应力。
　　开展了桩腿在环境载荷作用下的研究，选取预压、起吊、自存等桩腿自升后的6种典型工况，对桩腿进行了静力分析，得出桩腿的应力分布以及变形情况；通过对桩腿施加随时间以及空间变化的波浪载荷，进行了桩腿的动力响应分析，得出了桩腿的最大应力及其位移响应曲线。将动力分析同静力分析相比较，两者结果趋于一致，但是动力分析的结果较大，特别是位移，其受动力的影响较大。由比较分析可知，仅对桩腿进行静力分析是不够的，还须进行动力响应分析。
　　本文计算结果及研究方法可为同类型平台开发研究提供一定的参考及借鉴作用。

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第1章 绪论

1. 1论文的研究背景

1. 2 国内外研究现状

1. 3 论文的主要研究内容和方法

第2章 载荷理论介绍

2. 1 载荷种类

2. 2 风载荷

2. 3 波浪载荷

2. 4 流载荷

2. 5 本章小结

第3章 风机安装平台及有限元模型建立

3. 1平台基本方案

3. 2 有限元模型

3. 3 本章小结

第4章 平台主体有限元强度分析

4. 1 边界条件与载荷施加

4. 2 计算工况

4. 3 强度校核准则

4. 4 计算结果及强度校核

4. 5 本章小结

第5章 桩腿动静强度分析

5. 1桩腿概述

5. 2计算工况选取

5. 3 设计载荷

5. 4 静力分析

5. 5动力响应分析

5. 6本章小结

结论及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文

致谢