波浪作用下海上风机三桩基础的动力响应及疲劳寿命分析

摘要

我国海上风能资源丰富，作为新兴可再生能源，海上风电发展前景广阔。同时海上风电的开发面临很多困难，由于海上风机基础时刻承受复杂的波浪力，潮流力等荷载作用，极易引起基础疲劳，而基础结构的疲劳对于风机运行的稳定性及安全性影响巨大。本文采用海上风机三桩基础作为研究对象，对其进行动态响应与疲劳分析，主要工作如下:
　　(1)基于有限元法，应用ANSYS通用软件建立海上风机三桩基础有限元模型，为提高计算精度，采用八节点六面体单元以及四面体单元对基础结构进行空间离散。并对风机基础及塔筒结构进行整体模态分析，求得其固有频率及各阶振型。
　　(2)采用JONSWAP谱模拟风机所在海域的随机波浪，基于线性波浪叠加法模拟时域不规则波。对风机基础在波浪作用下进行瞬态动力响应分析，得出各关键位置的位移及应力动力响应时程曲线。
　　(3)利用Morison方程，采用谱分析方法对风机基础进行频域分析，计算出结构关键点的热点应力，并求得各关键点的应力响应谱曲线，比较了不同位置的应力响应谱，并求得结构振动最强的频率区间。
　　(4)基于Miner线性累积损伤准则以及S-N曲线，计算出每个海况下的基础疲劳损伤，并比较不同波高波浪力对风机基础疲劳损伤程度的影响，计算出结构的疲劳寿命，判定其是否符合要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 国内外风力发电现状及未来

1．2．1 世界风力发电现状及未来

1．2．2 我国海上风电的现状与未来

1．3 国内外研究现状及发展趋势

1．4 海上风机基础结构类型

1．5 本文研究内容

1．5．1 本文的主要研究内容

1．5．2 章节安排

2 有限元数值模型

2．1 有限元基本方程

2．1．1 有限元分析与加权余量法

2．1．2 有限元基本方程

2．2 结构离散化

2．2．1 八节点六面体单元

2．2．2 结构离散

2．3 位移边界条件的处理

2．3．1 降阶法

2．3．2 对角元置1法

2．4 本章小结

3 随机波浪荷载分析

3．1 波浪理论简介

3．2 海况基本资料

3．2．1 平稳随机过程

3．2．2 波浪参数

3．2．3 海况的合并

3．3 波浪谱

3．3．1 谱的引入

3．3．2 波浪谱

3．4 波浪力计算方法

3．4．1 小尺度结构物上的波浪力

3．4．2 莫里森方程

3．4．3 不规则波浪荷载计算方法

3．5 本章小结

4 海上风机三桩基础动力响应分析

4．1 ANSYS简介及单元特性

4．1．1 ANSYS软件简介

4．1．2 ANSYS单元特性

4．2 结构动力学运动方程及阻尼确定

4．2．1 结构动力学分析方程

4．2．2 结构阻尼

4．3 海上风机基础有限元模型

4．3．1 基本资料

4．3．2 整体有限元模型

4．4 海上风机基础模态分析

4．4．1 模态分析基本方程

4．4．2 风机基础模态分析计算结果

4．5 波浪作用下结构瞬态动力响应分析

4．5．1 Newmark积分

4．5．2 不规则波的模拟

4．5．3 结构的动态响应

4．6 本章小结

5 海上风机三桩基础疲劳寿命分析

5．1 疲劳分析理论

5．1．1 疲劳简介

5．1．2 Miner线性累积疲劳损伤模型

5．1．3 S-N曲线

5．2 风机基础谱分析计算

5．2．1 PSD(随机振动)分析

5．2．2 热点应力位置选取

5．2．3 应力响应谱分析

5．3 结构疲劳寿命计算

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢