深水TLP浮式风机支撑结构优化设计及疲劳特性研究

摘要

能源是工业发展的重要物质基础，随着全球工业化水准的不断提高，大规模使用化石燃料带来了严重的环境灾难，因此作为替代能源的风能得到了快速的发展。深海风能较陆地风能有着天然的优势，而TLP浮式风机是开发中等水深风能的有力载体，其结构继承了TLP平台半刚性半顺应性的优点，平台结构的运动频率跨越在波浪的波频之外，避免发生共振，使结构具有良好的动力性能。所以，TLP式支撑结构是我国近海深水风机首选的基础形式。
　　本文选择单立柱延展式TLP支撑结构，上部搭载5WM风力发电机，水深取为南海北部区域中等水深(70m～200m)，主要进行了如下方面的研究:
　　1.建立初始的TLP浮式风机的三维水动力模型，计算作用在支撑结构上的波浪载荷以及平台运动响应的传递函数等水动力参数，并将计算结果用于后续的耦合时域分析。结果表明，TLP浮式风机结构具有良好的运动性能;
　　2.以模态分析为基础，对TLP浮式风机整体结构的动力特性进行了研究，进行了谐响应分析、瞬态分析（时间历程分析）。数值算例的结果表明，波浪的高阶频率对TLP浮式风机的支撑结构的垂荡运动有明显的影响;
　　3.基于ANSYS15.0 APDL语言，使用一阶优化方法，编制了TLP浮式风机支撑结构（含张力腿系统）优化设计的程序，其中重点考虑了二阶和频力对系统垂荡运动的影响。优化算例的结果接近工程实例，表明运用ANSYS平台对海上风机系统进行优化设计是可行的;
　　4.基于线性累积损伤理论，运用时域疲劳分析方法对优化结果进行疲劳寿命的对比分析。结果表明，虽然最优的设计方案在张力时程上避开了波浪的高阶频率，但是疲劳寿命的评估却不理想，这就需要从其他优化结果(Feasible Sets)中继续筛选。
　　本论文对南海中等水深TLP浮式风机支撑结构进行了运动特性分析、结构特性分析、结构优化分析及疲劳计算对比分析。表明:基于ANSYS平台的优化结果经过疲劳寿命的评估后符合海上浮式风机初步设计要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 海上风电发展

1．3 浮式风机技术

1．3．1 浮式风机的分类

1．3．2 浮式风机的发展历程

1．4 TLP浮式风机

1．4．1 TLP浮式风机的优势

1．4．2 TLP浮式风机研究现状

1．5 本文研究内容及章节安排

1．5．1 TLP本文研究内容

1．5．2 章节安排

2 基础理论及环境荷载分析

2．1 基础理论

2．1．1 浮体的运动描述

2．1．2 波浪理论

2．1．3 荷载传递函数

2．1．4 风机结构动力约束

2．2 环境荷载分析

2．2．1 风荷载计算

2．2．2 风机荷载计算

2．2．3 流荷载计算

2．2．4 波浪荷载计算

2．3 本章小结

3 TLP浮式风机运动特性分析

3．1 TLP浮式风机有限元模型

3．1．1 南海海域的环境条件

3．1．2 计算软件简介

3．1．3 几何模型建立

3．2 TLP浮式风机频域水动力分析

3．2．1 频域分析结果

3．2．2 结果分析

3．3 TLP浮式风机时域耦合分析

3．3．1 张力筋腱参数确定

3．3．2 分析过程

3．3．3 时域耦合分析结果

3．4 本章小结

4 TLP浮式风机动力特性分析

4．1 理论分析

4．1．1 风机结构模态分析

4．1．2 风机结构谐响应分析

4．1．3 风机支撑结构时程分析

4．2 数值算例

4．2．1 算例描述

4．2．2 有限元模型

4．2．3 结果分析

4．3 本章小结

5 TLP浮式风机支撑结构优化分析

5．1 基于ANSYS平台的优化技术

5．1．1 参数化分析技术

5．1．2 优化方法

5．1．3 优化流程

5．2 支撑结构的优化分析

5．2．1 优化分析数学模型

5．2．2 支撑结构优化设计要素

5．2．3 支撑结构优化设计结果

5．3 支撑结构的优化结果分析

5．3．1 设计参数结果分析

5．3．2 水深变化结果分析

5．4 本章小结

6 优化结果的疲劳特性分析

6．1 疲劳理论

6．1．1 疲劳分析理论

6．1．2 时域疲劳寿命评估方法

6．2 张力腿系统疲劳寿命分析

6．2．1 南海环境条件

6．2．2 张力筋腱张力时程结果

6．2．3 疲劳寿命结果分析

6．3．本章小结

7 研究结论与展望

7．1 研究结论

7．2 工作展望

论文创新点

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文