3MW单桩式风电机塔架结构设计

摘要

能源问题是世界上各个国家面临的一个重要问题。随着石油，煤，天然气资源的不断消耗以及环境压力的日益严峻，风力发电尤其是近海风力发电受到了越来越多的关注和重视。近海风电机组承受着比陆地风电机更为恶劣的环境载荷，比如波浪、流的载荷。近海风电机的支持形式有好几种，本文选取了结构比较简单的单桩式风力发电机塔架结构作为研究对象。本文借助SACS这一常用的海洋平台设计软件建模计算特定环境载荷下的结构受力情况，不断优化，得到塔架的结构尺寸。然后将风速作为一个变量，得到一系列的动载荷，将这些动载荷施加到风电机塔架结构上，用ANSYS建模进行动载荷下的结构响应分析，包括结构的模态分析、谐波分析和瞬时响应分析。将结果反馈到模型中，得到修改后的尺寸。从两个方案的塔架尺寸上可以看到将外载荷作为静载荷和作为动载荷的区别。最后用API规范和DNV规范对结构进行了强度和稳性校核。确保了塔架结构符合规范的要求。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 近海风力发电介绍

1.2 国内外近海风电行业现状

1.2.1 国外近海风电行业现状

1.2.2 国内近海风电行业现状

1.3 风电机结构介绍

1.3.1 叶片

1.3.2 风机舱

1.3.3 塔架

1.4 主流海上风电机的支持结构形式

1.4.1 单桩腿结构形式

1.4.2 三脚架结构形式

1.4.3 重力式结构形式

1.4.4 导管架结构形式

1.4.5 浮式结构形式

1.5 海上风电场布置和安装方式

1.5.1 海上风电场布置

1.5.2 典型海上风电机组安装程序

1.5.3 叶片和机舱安装方式

1.6 目标风电机结构形式及基本参数及设计目标

1.7 之前完成工作介绍以及本文工作介绍

1.8 本章小结

第二章 风电机塔架的载荷

2.1 风电机所受环境载荷

2.1.1 风载荷

2.1.2 波浪载荷

2.1.3 流载荷

2.1.4 冰载荷

2.1.5 其他载荷

2.2 使用载荷

2.3 施工载荷

2.4 本章小结

第三章 风场的模拟

3.1 风速的表达

3.2 双参数WEIBULL 分布的风速模型

3.3 组合风速数学模型

3.3.1 基本风速

3.3.2 阵风

3.3.3 渐变风

3.4 本章小结

第四章 塔架结构载荷计算

4.1 目标风电场海况条件介绍

4.1.1 风，浪，流情况介绍

4.1.2 海床的约束

4.2 风电机参数

4.3 工作载荷计算

4.3.1 风机舱对塔架的水平作用力

4.3.2 其他工作载荷

4.4 塔架受风载计算方法

4.5 浪载荷计算

4.6 流载荷的计算

4.7 浪流联合作用

4.8 本章小结

第五章 符合静载荷响应风电机塔架结构的设计方案

5.1 风电机塔架所受载荷的计算

5.2 塔架1 强度计算

5.3 塔架2 强度计算

5.4 基础桩

5.4.1 泥面以上基础桩

5.4.2 泥面以下基础桩强度计算

5.5 塔架各点的挠度情况

5.6 ANSYS 动态分析

5.6.1 ANSYS 软件的介绍

5.6.2 风电机塔架所受载荷的计算

5.6.3 等效桩法

5.6.4 模态分析

5.6.5 瞬态分析

5.6.6 谐波分析

5.7 本章小结

第六章 符合动载荷响应风电机塔架结构的设计方案

6.1 修改后塔架1 强度分析

6.2 修改后塔架2 强度分析

6.3 基础桩

6.3.1 泥面以上基础桩

6.3.2 泥面以下基础桩

6.4 ANSYS 动态响应分析

6.4.1 修改后风电机塔架所受载荷

6.4.2 等效桩

6.4.3 模态分析

6.4.4 瞬态分析

6.4.5 谐波分析

6.5 本章小结

第七章 修改后的塔架的稳性强度校核

7.1 DNV 规范要求

7.2 塔架1 的稳性校核

7.3 塔架2 的稳性校核

7.4 泥面以上基础桩的稳性校核

7.5 塔架1 的强度校核

7.6 塔架 2 的强度校核

7.7 泥面以上基础桩强度校核

7.7.1 泥面以上基础桩弯曲，压缩组合应力校核

7.7.2 泥面以上基础桩的静水力校核

7.7.3 泥面以上基础桩的压缩，静水力组合应力校核

7.8 泥面以下基础桩强度校核

7.9 本章小结

第八章 总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文