海上风机支撑结构疲劳寿命分析方法研究

摘要

海上风机支撑结构多由钢管焊接而成，在复杂的海洋环境荷载以及上部风机荷载的联合作用下，结构连接处容易产生应力集中，极易发生疲劳破坏，结构连接处是基础结构设计的重点和难点;为保证海上风机在其设计寿命期内正常运作，有必要对海上风机支撑结构进行疲劳寿命分析。
　　本文以某风电场海上风机三桩支撑结构为研究对象，选取疲劳分析关键区域，对该结构进行了详细的疲劳寿命分析，为类似海上风机支撑结构的疲劳寿命分析以及进一步的研究提供了借鉴和参考，本文主要工作如下:
　　(1)论文首先介绍了疲劳寿命分析的基本理论与方法，包括线性、双线性、非线性累积损伤理论、概率Miner理论以及疲劳累积损伤动态统计模型理论，并对目前应用最为广泛且形式较为简单的Palmgren Miner线性累积损伤理论以及S-N曲线进行了重点介绍与分析。
　　（2)基于大型通用有限元分析软件ANSYS建立了海上风机三桩支撑结构的“桩土——支撑结构”整体有限元模型，并对疲劳寿命分析关键区域建立了局部精细化有限元模型;利用整体有限元模型计算的位移值作为局部精细化有限元模型的边界条件，该方法同时解决了壳单元无法直接考虑波流荷载以及管单元应力计算不准确的问题;
　　(3)分析了有限元网格密度对热点应力的影响;对于撑杆需要划分与其轴线相平行的有限元网格，对于弦杆需划分垂直于焊缝的有限元网格;给出了海上风机三桩支撑结构疲劳计算关键点的选取方法;
　　(4)采用热点应力的疲劳寿命分析方法，参考挪威船级社海上风机基础设计规范中给出的S-N曲线，根据Palmgren Miner线性累积损伤准则，分别分析了波浪荷载以及风机荷载对海上风机三桩支撑结构疲劳寿命的影响，并考虑了疲劳荷载作用方向以及平均应力对疲劳寿命的影响;
　　(5)分析了海上风机三桩支撑结构在风、浪联合作用下，多种耦合方法（疲劳累积损伤值简单线性叠加方法、二次叠加方法、等效应力同相叠加以及等效应力异相叠加方法）对结构疲劳寿命的影响，并给出了推荐做法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．1．1 海上风电的优点

1．1．2 海上风电场开发现状以及发展趋势

1．2 国内外研究现状以及存在问题

1．3 海上风机支撑结构类型

1．3．1 固定式结构

1．3．2 浮式结构

1．4 本文主要工作

2 疲劳寿命分析的基本概念和基本理论

2．1 疲劳寿命的含义

2．2 疲劳破环的三个阶段以及疲劳破坏分类

2．3 疲劳累积损伤理论

2．3．1 线性累积损伤理论

2．3．2 双线性累积损伤理论

2．3．3 非线性累积损伤理论

2．3．4 概率Miner理论

2．3．5 疲劳累积损伤动态统计模型

2．4 S-N曲线

2．5 本章小节

3 基于ANSYS的有限元模型以及热点应力分析

3．1 ANSYS有限元单元简介

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 基本资料

3．2．2 桩土相互作用模拟

3．2．3 整体有限元模型

3．2．4 局部精细化有限元模型

3．3 热点应力分析

3．3．1 疲劳分析中应力的三种类型

3．3．2 热点应力以及缺口应力的组成

3．3．3 热点的选取

3．3．4 热点应力的插值方法

3．3．5 网格密度对热点应力的影响

3．4 本章小节

4 海上风机支撑结构疲劳寿命分析

4．1 波浪荷载对结构疲劳寿命的影响

4．1．1 结构疲劳寿命的谱分析方法

4．1．2 波浪作用下结构疲劳强度分析

4．1．3 应力谱密度函数以及应力超越曲线

4．1．4 各短期海况对结构疲劳寿命的影响

4．2 风机荷载对结构疲劳寿命的影响

4．2．1 风机基本参数

4．2．2 风机疲劳荷载工况

4．2．3 平均应力对结构疲劳寿命的影响

4．2．4 风机荷载对疲劳寿命的影响

4．3 本章小节

5 风浪联合作用下结构疲劳寿命分析

5．1 关键点疲劳敏感度分析

5．2 疲劳损伤值的叠加方法

5．3 等效应力叠加方法

5．3．1 等效应力的导出

5．3．2 等效应力的叠加

5．4 海上风机支撑结构疲劳寿命

5．5 本章小节

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢