本文關(guān)鍵詞：海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：海洋風(fēng)電作為風(fēng)能開發(fā)的裝備，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，隨機(jī)性因素使得其在安裝、運(yùn)輸和安全等方面存在諸多挑戰(zhàn)。 海洋風(fēng)電固定式支撐結(jié)構(gòu)是連接泥面以下樁腿和水面以上塔柱及與其相連的風(fēng)機(jī)、葉片的過渡結(jié)構(gòu)，是海洋風(fēng)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部位之一。它支撐整個(gè)工作風(fēng)機(jī)的重量并傳遞其載荷，且承受風(fēng)、浪、流、地震等載荷。此外，由于風(fēng)電機(jī)組的零部件幾乎全部安裝在塔架上，一旦發(fā)生傾斜倒塌，往往造成整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的毀滅性損失。因此海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)研究是海洋風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)，亟待細(xì)化深入研究。 海洋風(fēng)電固定式支撐結(jié)構(gòu)主要存在兩個(gè)問題，一個(gè)是成本問題，一個(gè)是安全可靠性問題。即在確保結(jié)構(gòu)安全性前提下，對(duì)其進(jìn)行降低成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，同時(shí)支撐結(jié)構(gòu)在材料、尺寸、載荷等方面具有隨機(jī)性，由此導(dǎo)致設(shè)計(jì)分析結(jié)果的不確定性，因此傳統(tǒng)的確定性優(yōu)化在實(shí)際工程存在不足。本研究采用隨機(jī)性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使得海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果更加安全可靠。 研究基于海洋風(fēng)電在風(fēng)、浪、流、地震等載荷作用下的動(dòng)力隨機(jī)性優(yōu)化問題，主要內(nèi)容如下： 1.海洋環(huán)境下風(fēng)電結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 分析風(fēng)電結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的受載情況。分析海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)主要載荷：風(fēng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)作用載荷；風(fēng)沿塔架的分布載荷；波、浪、流作用載荷；地震波載荷。將復(fù)雜載荷組合加載于有限元模型進(jìn)行動(dòng)力分析：模態(tài)分析確定風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率以避開葉片通過頻率和風(fēng)機(jī)頻率；時(shí)域分析給出了風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)正常工作時(shí)的最大應(yīng)力、最大位移響應(yīng)，以及地震載荷作用下的位移響應(yīng)，并以此作為優(yōu)化的約束條件；時(shí)域分析同時(shí)給出了在極端湍流情況下，三個(gè)地區(qū)，兩種海況、兩種風(fēng)機(jī)工況組合下總計(jì)12種工況下的最大應(yīng)力、最大位移響應(yīng)并進(jìn)行對(duì)比分析。 2.三腳架支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型分析 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行三腳架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏性分析，確定三腳架優(yōu)化中權(quán)重較大的輸入值：水下中心柱的厚度、樁腿直徑、樁腿厚度、斜撐直徑；采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)構(gòu)造近似模型，也就是通過數(shù)學(xué)模型模擬三腳架結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)輸入值和結(jié)構(gòu)最大位移、最大應(yīng)力等輸出值之間的關(guān)系，用數(shù)值計(jì)算取代有限元計(jì)算，為三腳架支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供穩(wěn)定高效的迭代環(huán)境。 3.三腳架支撐結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì) 探討了三腳架結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用外部罰函數(shù)的數(shù)值優(yōu)化方法和多島遺傳算法的全局搜索方法相結(jié)合的方式對(duì)三腳架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)用單循環(huán)的可靠度優(yōu)化方法降低了優(yōu)化迭代次數(shù)，所用的優(yōu)化策略顯著提高了運(yùn)算效率，，得到的三腳架優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在滿足一定可靠度的前提下最大限度的降低了支撐結(jié)構(gòu)成本，科學(xué)的兼顧了支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性的雙重需求，克服了傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可靠度不足的問題。 研究通過對(duì)三腳架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，給出了結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及其動(dòng)力響應(yīng)；引入大質(zhì)量法施加地震載荷，合理的考慮了海洋風(fēng)電在地震波作用下的響應(yīng)；通過構(gòu)造Kriging模型取代有限元模型大大減少優(yōu)化時(shí)間并且提高了優(yōu)化的穩(wěn)定性；通過隨機(jī)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，充分考慮了由于結(jié)構(gòu)尺寸、材料、環(huán)境載荷等隨機(jī)性因素引起的不確定性，采用可靠度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法，兼顧了經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有參考意義。
【關(guān)鍵詞】：海洋風(fēng)電 三腳架支撐結(jié)構(gòu) 動(dòng)力分析 地震波 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 近似模型 隨機(jī)性動(dòng)力優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：U674.38
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-21
• 1.1 海洋風(fēng)電國(guó)內(nèi)外狀況10-12
• 1.2 海洋風(fēng)電的特點(diǎn)12-15
• 1.3 海洋風(fēng)電固定式支撐結(jié)構(gòu)形式概述15-17
• 1.4 研究目的和研究對(duì)象17-18
• 1.5 主要工作18-19
• 1.6 論文框架19-20
• 1.7 研究特色20-21
• 第二章 海洋風(fēng)電載荷分析21-36
• 2.1 海洋風(fēng)電載荷分析研究進(jìn)展21-22
• 2.2 風(fēng)載荷22-32
• 2.2.1 動(dòng)量-葉素理論23-24
• 2.2.2 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)載荷24-25
• 2.2.3 極端湍流下的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)載荷25-32
• 2.2.4 塔柱風(fēng)載荷32
• 2.3 海洋環(huán)境載荷32-34
• 2.4 地震載荷34-35
• 2.4.1 地震波34-35
• 2.4.2 大質(zhì)量法35
• 2.5 本章小結(jié)35-36
• 第三章 海洋風(fēng)電結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析36-50
• 3.1 海洋風(fēng)電動(dòng)力分析現(xiàn)狀36-37
• 3.2 模型建立37-38
• 3.3 三腳架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析38-40
• 3.4 三腳架結(jié)構(gòu)的時(shí)域響應(yīng)計(jì)算40-42
• 3.5 極端湍流下的突發(fā)情況響應(yīng)分析42-49
• 3.6 本章小結(jié)49-50
• 第四章 海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力優(yōu)化模型50-59
• 4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法50-53
• 4.2 近似模型技術(shù)53-55
• 4.3 海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型分析55-58
• 4.3.1 參數(shù)敏感性分析55-56
• 4.3.2 Kriging 模型的構(gòu)造56-58
• 4.4 本章小結(jié)58-59
• 第五章 三腳架支撐結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)59-71
• 5.1 海洋風(fēng)電優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展59-60
• 5.2 隨機(jī)性優(yōu)化問題60
• 5.3 優(yōu)化數(shù)值算法60-63
• 5.3.1 外部罰函數(shù)算法61
• 5.3.2 多島遺傳算法61-63
• 5.4 可靠度分析方法63-65
• 5.5 隨機(jī)性優(yōu)化方法65-67
• 5.6 三腳架支撐結(jié)構(gòu)的隨機(jī)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)67-70
• 5.7 本章小結(jié)70-71
• 第六章 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 全文總結(jié)71-72
• 6.2 研究展望72-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 附錄 1：圖片目錄77-79
• 附錄 2：表格目錄79-80
• 致謝80-81
• 學(xué)位期間發(fā)表/錄用的學(xué)術(shù)論文81-82
• 攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目82-84

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本文編號(hào)：398139