海上风电场风机基础设计若干问题研究

摘要

海上风电的发展应用给国民生产带来了巨大的效益，一方面减少化石燃料的使用带来的环境污染，另一方面人们对可再生清洁能源的开发促进了人类的可持续发展，随着该技术日趋成熟，我国也对此大力支持。但是该技术对于我国而言尚处于起步阶段，一些关键问题的自主研发尚属空白，并且无规范指导设计开发，对此国内的技术人员积极响应开展。本文应用有限元软件针对海上风电场风机基础建设过程中出现的两个重要问题一不等厚钢管对接焊接焊接缺陷对应力集中系数(SCF)的影响及不同形式灌浆连接段设计时的轴向承载力性能进行模拟，主要研究内容如下:
　　不等厚钢管对接焊接焊接缺陷对应力集中的影响模拟:
　　(1)确定不等厚钢管对接焊接时引起应力集中的力学本质为刚度突变;
　　(2)选取两种典型的对接焊接连接方式，当其存在焊接缺陷时，焊接缺陷参数d、k对应力集中系数的影响，结果表明两种对齐方式对应力集中系数影响复杂;
　　(3)对比存在相同焊接缺陷参数时，两种对齐方式对应力集中系数的影响，结果表明壁厚中心对齐连接方式优于壁厚内壁对齐连接方式，且前者应力集中系数至少降低约16％;
　　(4)分析两种连接方式存在焊接缺陷时其缺陷区不同参数d、k以及对齐方式对相对侧应力集中系数的影响，结果表明焊接缺陷的存在对其相对应的另一焊接端焊趾处的应力集中现象会起到缓解释放作用，且焊接缺陷相对侧的应力集中程度远小于焊接缺陷区的应力集中程度;
　　灌浆连接段轴向承载力模拟:
　　(1)首先利用有限元分析软件对接触参数试计算，确定参数取值，然后对四组模型进行有限元计算并同时采用DNV规程对其承载力进行计算;
　　(2)对单个模型计算结果进行分析，对比不同模型设计的承载力性能，并对比有限元计算承载力和DNV规程计算承载力，结果表明不同模型设计其应力集中区大多集中在灌浆结石体的两端且应力集中程度不同，模型承载力性能与荷载值相关，综合而言，第一组（灌浆空间长度相对较短但无剪力键）与第二组（灌浆空间长度相对较短但有剪力键）相比，第二组模型承载性能较优;第二组（灌浆空间长度相对较短但有剪力键）与第三组（灌浆空间长度相对较长但有剪力键）相比，第三组较优;第二组（灌浆空间长度相对较短但有剪力键）与第四组（灌浆空间为锥形但有剪力键）相比，第四组较优。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外应用研究现状和存在的问题

1．2．1 不等厚钢管对接焊接研究的应用及现状

1．2．2 风机基础灌浆连接段研究的应用及现状

1．3 本文研究内容

1．3．1 不等厚钢管对接焊接研究内容

1．3．2 灌浆连接段研究内容

2 不等厚钢管对接焊缝焊接缺陷对应力集中系数的影响

2．1 理论分析

2．1．1 模型选取

2．1．2 应力集中的力学本质

2．2 有限元模型的建立

2．2．1 两种连接方式的有限元模型

2．2．2 两种连接方式的有限元模型计算结果

2．3 有限元模型计算结果分析

2．3．1 壁厚内壁对齐(NBDQ)连接方式的有限元模型计算结果分析

2．3．2 壁厚中心对齐(ZXDQ)连接方式的有限元模型计算结果分析

2．3．3 两种连接方式有限元计算结果理论验证

2．3．4 两种连接方式对SCF影响的比对

2．3．5 两种连接方式对焊接缺陷区对侧8GF的影响

2．4 本章小结

3 灌浆连接段轴向承载力数值分析

3．1 非线性分析及模型建立

3．1．1 ANSYS在接触分析中的应用

3．1．2 四组模型设计

3．1．3 ANSYS分析采用的材料参数及单元类型

3．2 模型轴向承载力有限元求解及分析

3．2．1 第一组模型的轴向承载力

3．2．2 第二组模型的轴向承载力

3．2．3 第三组模型的轴向承载力

3．2．4 第四组模型的轴向承载力

3．3 模型轴向承载性能对比分析

3．3．1 轴向承载力对比分析

3．3．2 轴向承载性能对比分析

3．3．3 有限单元法与DNV计算轴向承载性能对比分析

3．4 本章小结

4 结论与展望

4．1 结论

4．1．1 关于不等厚钢管对接焊缝焊接缺陷对应力集中系数的影响

4．1．2 关于灌浆连接段轴向承载力

4．2 展望

4．2．1 关于不等厚钢管对接焊缝焊接缺陷对应力集中系数的影响

4．2．2 关于灌浆连接段轴向承载力

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢