地震荷载作用下海上电气平台动力模型试验

摘要

风能是清洁的可再生能源，风力发电在调整能源结构，缓解环境污染等方面发挥着重要作用。随着陆上风电资源的良性开发，风能蕴藏量更为丰富、陆地占用率更少的海上风电逐渐进入各国视野。
　　海上风电发展呈现出两大趋势:一是装机容量不断增加;二是深海风电技术不断发展完善。考虑到送电的经济性和并网的安全性，采用海上升压站送出将会是未来深远海大规模海上风电开发的必然选择。
　　海上电气平台作为海上风电场升压站电气设备的承重结构，其特点是大量电气设备布置在甲板上。电气平台不仅需要确保自身在外部环境荷载作用下的安全，还要保证电气设备的正常运行。在风、浪、流等复杂环境荷载和地震、海冰等极端荷载的作用下，如何确保电气平台的安全、保证电气设备的正常运行，是进行近海风电场设计的关键问题之一。目前国内鲜有海上升压站电气平台的研究成果，这在迅速发展的海上风电领域中显得相对滞后，因此，本文研究对今后海上风电场升压站电气平台的设计有参考意义。
　　本文基于某海上风电场电气平台，完成了动力试验模型的设计，系统地开展了海上电气平台在不同地震荷载工况下的模型试验研究。本文完成的主要工作包括:
　　(1)动力模型试验相似律的确定。基于弹性相似律和弗劳德数相似，同时考虑截面弯曲刚度相似，推导了用于开展海上电气平台模型试验的水弹性相似律。
　　(2)海上电气平台试验模型的设计和制作。综合考虑试验设备能力以及相关的水文条件确定了结构原型和模型的几何比尺;基于相似关系，确定模型结构各部分的几何尺寸，完成海上电气平台试验模型的设计和制作。
　　(3)开展了海上电气平台动力模型试验。通过白噪声激励，得到了结构基频、振型以及振型阻尼比等动力特性参数。以实际地震记录和人工合成地震动作为激励，开展了不同地震作用方向下的动力模型试验，研究了海上电气平台结构的地震响应特性。
　　(4)试验结果和数值计算结果的对比验证。运用ANSYS建立了模型结构的有限元模型。基于动力模型试验工况，开展了电气平台模型的有限元地震时程响应分析。试验结果和数值计算结果基本一致，从而验证了有限元模型的合理性和试验结果的准确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 海上电气平台发展现状

1．1．1 海上风电发展趋势

1．1．2 国内外海上电气平台发展

1．1．3 海上电气平台的研究意义

1．2 海上平台研究现状

1．2．1 波浪荷载研究

1．2．2 地震荷载研究

1．2．3 海冰荷载研究

1．2．4 其他研究

1．3 本文主要研究内容

2 模型设计

2．1 动力模型试验相似关系

2．1．1 水弹性相似律

2．1．2 基本参数相似关系

2．2 有机玻璃材料力学试验

2．2．1 密度测定

2．2．2 静弹模及泊松比测定

2．2．3 动弹模测定

2．3 动力试验模型设计

2．3．1 相似比尺选取

2．3．2 试验模型设计

2．3．3 环境荷载相似转换

2．3．4 相似关系验证

2．3．5 试验模型加工

2．4 模型结构坐标系

2．5 本章小结

3 动力特性试验

3．1 动力特性分析理论和计算方法

3．1．1 频军

3．1．2 结构振型

3．1．3 振型阻尼比

3．2 振动台模型试验

3．2．1 试验设备

3．2．2 传感器布置

3．2．3 试验内容与方法

3．3 动力特性分析

3．3．1 频率

3．3．2 结构振型

3．3．3 振型阻尼比

3．4 本章小结

4 地震荷载试验

4．1 试验设计

4．1．1 地震波选取

4．1．2 传感器布置

4．1．3 试验工况

4．2 振动台试验

4．2．1 振动台输入地震波加速度响应谱

4．2．2 振动台输入地震波频域分析

4．3 加速度试验结果分析

4．3．1 Y试验方向

4．3．2 45°试验方向

4．3．3 X试验方向

4．4 应变试验结果分析

4．4．1 Y试验方向

4．4．2 45°试验方向

4．4．3 X试验方向

4．5 本章小结

5 数值验证

5．1 有限元模型

5．2 动力特性验证

5．2．1 频率

5．2．2 结构振型

5．3 地震有限元结果验证

5．3．1 加速度时程对比

5．3．2 加速度频域响应验证

5．3．3 应变时程对比

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附表

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢