海上桩式风机基础灌浆连接段结构设计与研究

摘要

海上风力发电正逐渐成为新能源领域发展的重点，我国拥有漫长的海岸线，近海风能资源丰富。但我国的海上风电场技术还处于起步阶段，设计、施工经验相对匮乏。海上风机基础结构设计是海上风电场建设的关键之一，风机基础结构中灌浆连接段的可靠性又是确保海上风机正常运行的必要条件。本文利用有限元软件ANSYS，对灌浆连接段的受力机理、有限元模型、细部构造优化设计等相关问题进行了详细研究，为实际工程的设计、计算、优化等提供科学依据和参考。
　　本文研究的主要内容包括:
　　1.对灌浆连接段在轴向力与弯矩作用下的受力机理进行阐述，推导出相应的极限承载能力参数公式，分析了影响灌浆连接段承载能力的主要因素。分析发现，连接段在不设剪力键时，随着管径的增加，连接段的承载能力急剧降低。弯矩在连接段的传递，主要由接触表面的压应力以及水平和竖向的摩擦力来承担。
　　2.介绍了利用有限元分析灌浆连接段的计算方法与数值模拟。用Solid65单元模拟灌浆材料，Solid186单元模拟钢管，灌浆材料与钢管壁采用面面接触单元(Contact174与Target170)来模拟二者之间的接触滑移。采用p～y曲线法模拟桩土的相互作用。
　　3.介绍了设置剪力键对灌浆连接段在轴力、弯矩作用下的影响，并对利用ANSYS分析灌浆连接段的方法进行有效性验证，利用ANSYS软件可以很好的模拟灌浆连接段的受力。在桩外壁以及导管架内壁设置剪力键有助于轴向荷载的传递和承载能力的提高，并不能显著提高连接段对弯矩的传递能力。
　　4.利用ANSYS对影响灌浆连接段受力性能的细部构造进行优化设计，包括剪力键的宽、高、间距，灌浆厚度以及灌浆连接段长度等因素。最佳灌浆厚度随着连接段管径的不同而不同。连接段的长度在一定范围内增加时，可以提高灌浆连接段的承载能力，超过一定范围，可能会降低连接段整体稳定性。长径比L/Dp最佳取值范围为:2.47～2.6。剪力键合适大小为:高度h=0.02m，宽度w=0.04m。剪力键间距s取0.3～0.5m为宜。高度与间距比h/s不超过0.04为宜。
　　5.对三桩基础结构灌浆连接段进行设计，对其有限元模型在实际荷载工况下进行受力分析。分析得出钢管与灌浆材料的应力均小于材料的屈服应力，没有发生大面积开裂，灌浆材料与内外钢管接触良好，连接段的受力小于其极限承载能力，结构设计合理，能够安全运行。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 海上风机基础结构形式及灌浆连接段特点

1．2．1 海上风机基础结构形式

1．2．2 灌浆连接段结构特点

1．3 国内外研究现状和存在的问题

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．3．3 国内外研究存在的问题

1．4 本文研究的意义、目的和主要内容

2 灌浆连接段的受力机理以及影响因素

2．1 轴向力作用下连接段的受力机理

2．2 弯矩和剪力作用下连接段的破坏机理

2．3 本章小结

3 利用ANSYS分析灌浆连接段的方法与FEM模型建立

3．1 ANSYS程序计算方法

3．1．1 单元类型

3．1．2 灌浆材料的性质

3．1．3 钢管材料的性质

3．1．4 钢管与灌浆材料表面的接触滑移

3．2 FEM模型的建立

3．2．1 有限单元的选取

3．2．2 模型简化与网格划分

3．2．3 边界条件与荷载施加

3．3 非线性求解的收敛问题

4 设置剪力键分别对轴力、弯矩作用下连接段的影响

4．1 轴力作用下连接段不设剪力键与设剪力键的对比

4．2 弯矩作用下连接段不设剪力键与设剪力键对比

4．3 利用ANSYS分析灌浆连接段方法的有效性验证

4．4 本章小结

5 灌浆连接段细部构造的优化设计

5．1 ANSYS优化设计的原理和步骤

5．1．1 优化设计的基本原理

5．1．2 优化方法

5．1．3 ANSYS优化过程的步骤

5．2 灌浆厚度优化设计

5．3 灌浆连接段长度优化设计

5．4 剪力键高度、宽度与间距优化分析

5．4．1 A组连接段剪力键高度与宽度优化分析

5．4．2 B组连接段剪力键高度与宽度优化分析

5．4．3 A、B两组连接段剪力键间距优化分析

5．5 连接段采用锥形设计时对连接效果的影响

5．6 本章小结

6 三桩基础结构形式的灌浆连接受力分析

6．1 有限元计算模型

6．1．1 利用p～y曲线法模拟桩土的相互作用

6．1．2 三桩基础结构有限元建模

6．2 灌浆连接段有限元计算结果

6．2．1 极限荷载工况条件下

6．2．2 正常荷载工况条件下

6．2．3 依照DNV规范对三桩基础连接段校核

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢