發(fā)布時(shí)間：2020-03-23 12:49

【摘要】：21世紀(jì)是人類開發(fā)海洋能源的時(shí)代,而海上風(fēng)能是眾多能源中開發(fā)利用較清潔的資源。現(xiàn)在絕大多數(shù)的海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)型式都是近海樁基型的,面對(duì)開發(fā)海上風(fēng)能的速度加快,未來發(fā)展大型遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電場(chǎng)是必然趨勢(shì)。在由淺海向深海發(fā)展的過程中勢(shì)必會(huì)使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生重大的技術(shù)性變革,最基礎(chǔ)的就是需要對(duì)風(fēng)力機(jī)搭載平臺(tái)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 由于海上大型浮式風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)屬于超大型浮式結(jié)構(gòu)物(VLFS),需要考慮平臺(tái)在波浪中的彈性變形情況(即流固耦合),因此要采用近五十年發(fā)展起來的水彈性理論方法求解。目前關(guān)于水彈性研究的方法主要分為直接計(jì)算法和模態(tài)分析法。本文采用了模態(tài)分析法,將浮體結(jié)構(gòu)物簡(jiǎn)化為梁,計(jì)算其在空氣中的干模態(tài),采用勢(shì)流理論求解水動(dòng)力。根據(jù)三維水彈性理論和三維剛體勢(shì)流理論的區(qū)別,主要是物面邊界條件的不同,繼而通過改變物面邊界條件,將三維水彈性理論退化為三維剛體理論。這種簡(jiǎn)化方法能夠快速有效地求解結(jié)構(gòu)在波浪中的水彈性響應(yīng)。本文重點(diǎn)探討這種簡(jiǎn)化方法在大型浮式結(jié)構(gòu)物平臺(tái)的工程實(shí)用性。 首先,介紹了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí),為求解結(jié)構(gòu)的干模態(tài)尋找合適快速的方法。通過許多相關(guān)研究的成果可知,對(duì)于梁式的大型結(jié)構(gòu)物可以采用簡(jiǎn)單的梁解析法求解結(jié)構(gòu)特性。 其次,對(duì)比較成熟的三維剛體勢(shì)流方法,以及考慮結(jié)構(gòu)體彈性效應(yīng)的三維線性水彈性理論方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述,從中得到兩種計(jì)算方法的主要區(qū)別在于水彈性理論需要考慮廣義流固耦合邊界條件。通過改變物面邊界條件,以及對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方程的修改,將三維水彈性理論退化為三維剛體勢(shì)流理論。在此基礎(chǔ)上,求出運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的主坐標(biāo),用剛性位移幅值表示結(jié)構(gòu)各階彈性模態(tài)幅值。通過一個(gè)示例,將本文所用方法的計(jì)算結(jié)果與其他相關(guān)研究計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析,兩種結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致,從而驗(yàn)證本文的簡(jiǎn)化方法在求解大型浮式結(jié)構(gòu)物的水彈性分析的可行性。 再次,給出了海上風(fēng)電場(chǎng)平臺(tái)的理念設(shè)計(jì)型式,對(duì)其進(jìn)行水彈性和剛體理論的計(jì)算分析。計(jì)算給出了剛體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù);結(jié)構(gòu)的垂向彎曲模態(tài)響應(yīng)幅值,以及沿軸向整體結(jié)構(gòu)的垂向位移幅值分布、彎矩分布等。通過討論三維剛體與水彈性理論得出的彎矩分布圖,證明水彈性理論考慮了結(jié)構(gòu)的彈性變形,計(jì)算結(jié)果更能滿足工程實(shí)際情況的要求。 最后,將兩種波浪外載計(jì)算方法得到的載荷值施加到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行靜力分析,比較垂向位移、軸向應(yīng)力等,摸索三維剛體方法與本文提出的三維水彈性簡(jiǎn)化方法計(jì)算結(jié)果的異同點(diǎn)。
【圖文】：

tS 上的物面條件改換到與時(shí)間無關(guān)的平均濕表面上。圖3-1 坐標(biāo)系的定義[25]這里需要引入三個(gè)坐標(biāo)系來描述浮體的運(yùn)動(dòng)：（1）固定坐標(biāo)系0 0 0o x y z，，原點(diǎn)位于未受擾動(dòng)的水平面上，與原始坐標(biāo)系重合，0 0ox y 與靜水面重合，0oz 垂直向上，

為了避免剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)廣義質(zhì)量與彈性模態(tài)廣義質(zhì)量由于數(shù)量級(jí)上的差異造成的計(jì)算誤差，與剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)一樣，將彈性模態(tài)位移振型進(jìn)行歸一化。取艉部最大位移節(jié)點(diǎn)作歸一化計(jì)算，得出的各階垂向彎曲模態(tài)振型圖如圖5-1。表5-2 結(jié)構(gòu)特性圖5-1 垂向彎曲模態(tài)的位移振型階數(shù) 廣義質(zhì)量 kg·m2廣義剛度 N/m 固有頻率 rad/s一階垂向(r=7) 7.69×1071.89×1060.16二階垂向(r=8) 7.69×1071.43×1070.43三階垂向(r=10) 7.69×1075.51×1070.85四階垂向(r=12) 7.69×1071.51×1081.40五階垂向(r=13) 7.69×1073.36×1082.09六階垂向(r=16) 7.69×1076.55×1082.92
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：P75

【參考文獻(xiàn)】

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2 胡金芝;超大型浮體結(jié)構(gòu)水彈性響應(yīng)的梁板模型分析[D];河海大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2596747