海上桩式风机基础结构设计与研究

摘要

海上风能是一种丰富的清洁可再生能源，然而海上风能发电机的基础结构所处环境恶劣性，致使其施工困难、建造成本高。因此，海上风机基础结构的经济性、安全性与稳定性成为了当今研究的热点。本文在缺乏国内相应设计规范的条件下，对桩式风机基础结构的强度、稳定性和疲劳寿命进行了研究与分析。 本文在选型优化研究的基础上，选用四桩式风机基础结构进行研究。研究包括：环境荷载计算、结构静动力计算分析与疲劳分析。 (1)环境荷载主要计算波流荷载和地震荷载。波流力采用五阶stokes波理论和波流共同作用下斜桩受力分析；对于动力分析，采用了文圣常方法计算波浪谱。计算结果发现，波流的水平推力比上部风机水平力大，是结构荷载的重要组成部分。分别采用频域与时域对地震荷载进行了计算与分析。 (2)结构静力计算采用ANSYS软件，用pipe16单元模拟杆件，桩土相互作用分别采用固定端约束的六倍桩径法、Combin14线形单元模拟的m法和Combin39非线性单元模拟的p—y曲线法。其中p—y曲线法计算出的结果最大，在缺乏实测资料时，可用于极限荷载状态下的风能发电机基础分析。 (3)为了保证风机的正常运行，还需讨论风机的动力分析。模态分析确定其前十阶自振频率在0.35-4.5Hz之间，其中一阶自振频率为0.352Hz；谐响应分析发现，环境荷载均能避免和结构发生共振；波浪与地震的谱响应和时程分析结果表明，结构在此荷载作用下均能保持稳定。 (4)由于风机基础的荷载大部分为循环荷载，因而对其进行疲劳寿命分析是必要的。本文利用现有资料，在整体疲劳分析的基础上，采用壳单元shell93将结构进一步优化，将单元细化，进行局部应力集中处的疲劳分析。 本文较为详细的阐述了风能发电机桩式基础结构的设计计算过程，较好的完成了课题的要求，对海上风能发电机基础结构的设计具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题意义

1.2国内外研究发展概况

1.3本文工作

2环境荷载分析与地质资料

2.1环境荷载

2.1.1风机荷载

2.1.2波流荷载

2.1.3地震荷载

2.2地质资料

3风机基础桩土相互作用

3.1 m法模拟桩土作用

3.2 p-y曲线法模拟桩土作用

4风机基础结构静力计算

4.1风机基础结构布置

4.2取6倍桩径计算风机基础

4.3 m法计算风机基础

4.3 p-y曲线法计算风机基础

4.4本章小结

5风机基础动力分析

5.1模态分析

5.2谐响应分析

5.3谱分析

5.3.1波浪谱(PSD)响应

5.3.2地震谱响应

5.4时间历程分析

6疲劳分析

6.1分析过程

6.2本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢