本文關(guān)鍵詞：基于ANSYS的導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)分析

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【摘要】：海上風(fēng)能是一種具有廣闊前景的清潔能源,但其開(kāi)發(fā)受高成本制約。在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)占很大一部分。對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究可以通過(guò)技術(shù)手段降低海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本,這對(duì)于推進(jìn)海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)具有重要意義。在幾種海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)中,導(dǎo)管架式支撐結(jié)構(gòu)適用范圍廣,有諸多優(yōu)勢(shì),因此本文選取導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。首先,本文介紹了海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀、海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)類型以及國(guó)內(nèi)外對(duì)導(dǎo)管架式支撐結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,給出了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及支撐結(jié)構(gòu)所受風(fēng)、波浪、海流等幾種環(huán)境荷載的計(jì)算方法。針對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)主要承受水平荷載的特點(diǎn),詳細(xì)闡述了樁基礎(chǔ)和地基土體的相互作用和土反力的計(jì)算。然后,借助ANSYS有限元軟件,建立導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)有限元模型,將樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架部分整體考慮,塔筒與導(dǎo)管架的過(guò)渡段采用桿系形式的過(guò)渡段。對(duì)不同工況下的導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析和瞬態(tài)分析。分析結(jié)果表明支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架部分和樁基礎(chǔ)部分統(tǒng)一和分開(kāi)考慮來(lái)分析結(jié)構(gòu)特性時(shí),分析結(jié)果存在較大差異,且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)關(guān)注結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。最后,以幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量,應(yīng)力、應(yīng)變等為約束變量,結(jié)構(gòu)用鋼量為目標(biāo)函數(shù)建立起導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,通過(guò)ANSYS自帶優(yōu)化模塊進(jìn)行了優(yōu)化分析。優(yōu)化結(jié)果使導(dǎo)管架式支撐結(jié)構(gòu)在滿足穩(wěn)定的條件下減少了約20%的用鋼量,對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)具有重要經(jīng)濟(jì)意義。本文對(duì)導(dǎo)管架式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力分析、動(dòng)力分析和優(yōu)化分析,得出的研究成果對(duì)于導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),從而推動(dòng)海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)向更深水域推進(jìn)提供了一定的參考。
【關(guān)鍵詞】：海上風(fēng)電 支撐結(jié)構(gòu) 導(dǎo)管架 有限元 優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM315;TU476
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-18
• 1.1 研究背景與意義11-14
• 1.1.1 海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.1.2 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)類型12-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀14-17
• 1.2.1 荷載分析與計(jì)算15
• 1.2.2 樁與海床相互作用15-16
• 1.2.3 部件連接與防沖刷腐蝕16
• 1.2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)16-17
• 1.3 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)17
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容17-18
• 第2章 導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)荷載18-33
• 2.1 風(fēng)荷載18-19
• 2.1.1 風(fēng)輪風(fēng)荷載18-19
• 2.1.2 塔筒風(fēng)荷載19
• 2.2 波浪荷載19-25
• 2.2.1 莫里森方程19-20
• 2.2.2 莫里森方程的修正20-21
• 2.2.3 斯托克斯五階波理論21-25
• 2.2.4 水動(dòng)力系數(shù)25
• 2.3 海流荷載25-26
• 2.4 樁土相互作用26-28
• 2.4.1 水平承載樁的撓曲方程26-27
• 2.4.2 地基反力27-28
• 2.5 P-Y曲線法28-31
• 2.5.1 軟粘土中的P-Y曲線28-29
• 2.5.2 砂土中的P-Y曲線29-31
• 2.5.3 硬粘土中的P-Y曲線31
• 2.6 荷載組合31-32
• 2.7 本章小結(jié)32-33
• 第3章 導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)有限元分析33-57
• 3.1 有限元法簡(jiǎn)介33
• 3.2 ANSYS簡(jiǎn)介33-34
• 3.3 ANSYS單元介紹34-36
• 3.3.1 PIPE5934-36
• 3.3.2 COMBIN3936
• 3.4 有限元模型36-41
• 3.4.1 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)36-37
• 3.4.2 支撐結(jié)構(gòu)布置和尺寸37-38
• 3.4.3 有限元模型38-41
• 3.5 荷載計(jì)算41-44
• 3.5.1 風(fēng)荷載41-42
• 3.5.2 波浪和海流荷載42-43
• 3.5.3 土反力和P-Y曲線43-44
• 3.6 靜力分析44-48
• 3.7 模態(tài)分析48-52
• 3.7.1 模態(tài)分析理論48-49
• 3.7.2 模態(tài)分析步驟49
• 3.7.3 模態(tài)分析結(jié)果分析49-52
• 3.8 瞬態(tài)分析52-56
• 3.8.1 瞬態(tài)分析理論52
• 3.8.2 瞬態(tài)分析步驟52-53
• 3.8.3 瞬態(tài)分析結(jié)果分析53-56
• 3.9 本章小結(jié)56-57
• 第4章 導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化57-67
• 4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述57-58
• 4.1.1 設(shè)計(jì)變量57
• 4.1.2 約束條件57-58
• 4.1.3 目標(biāo)函數(shù)58
• 4.2 ANSYS優(yōu)化模塊58-59
• 4.2.1 零階優(yōu)化法58
• 4.2.2 一階優(yōu)化法58-59
• 4.2.3 優(yōu)化工具59
• 4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型59-60
• 4.3.1 導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量60
• 4.3.2 導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)60
• 4.3.3 導(dǎo)管架式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件60
• 4.4 優(yōu)化分析60-64
• 4.5 優(yōu)化結(jié)果64-65
• 4.6 本章小結(jié)65-67
• 第5章 結(jié)論與展望67-70
• 5.1 結(jié)論67-68
• 5.2 展望68-70
• 參考文獻(xiàn)70-75
• 附錄75-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文77-78
• 致謝78

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本文編號(hào)：535989