海洋浮式风机叶片结构强度特性研究

作     者：范焕 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡志强

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 081505[工学-港口、海岸及近海工程] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：海洋浮式风机 风机叶片 结构强度分析 有限元法 ABAQUS FAST 

摘      要：“双碳目标下,我国发展可再生清洁能源的需求愈发紧迫。风力发电是最具开发潜力的可再生清洁能源之一,海洋风能的开发利用优势与挑战并存。随着风力机尺寸、功率和复杂性的不断增长,海洋风机支撑平台也开始由固定式向浮式结构转换。海洋浮式风机叶片作为风机的重要构件,因海洋环境恶劣以及浮式平台的多自由度运动,在其目标寿命期内承受了多变的载荷工况,更易出现各种不同的结构强度变化。因此,研究海洋浮式风机叶片的结构强度特性对于保证风机的正常运营具有极其重要的意义。本论文针对海洋浮式风机叶片,开展基于有限元方法的结构强度研究,对不同载荷工况下Spar型浮式风机叶片进行结构强度分析,同时考虑海洋运维船撞击浮式平台时对叶片产生的影响,深入研究最大瞬时加速度下叶片的结构强度特性。本文主要研究内容如下:1.介绍海洋浮式风机叶片结构强度分析中所采用的有限元方法和浮式风机整体动力分析技术,分析叶片所承受的各种载荷并给出不同载荷的计算方法。2.以NREL公布的5MW海洋风机叶片作为研究对象,根据其气动特性和材料特性建立叶片的复合材料有限元模型,并探究复合材料铺层厚度对叶片应力分布的影响。3.采用NREL开发的FAST软件,进行浮式风机的整体动力分析,获得叶片气动载荷分布,在整体动力仿真时采用Spar平台的5MW海洋浮式风机作为计算对象,对不同设计载况下的风速、叶片气动载荷分布、叶根弯矩分布和叶尖变形进行分析。4.利用ABAQUS软件,进行叶片有限元模型的加载计算,并深入分析典型载况下叶片的结构应力,通过对比有限元模型与FAST计算的叶尖位移,确定了有限元计算模型的正确性。5.研究运维船与浮式风机支撑平台发生碰撞场景下风机叶片的结构强度特性,通过在有限元模型中给叶根施加最大瞬时加速度,获得叶片结构在该场景下的结构强度特征,并进一步分析静水工况和风浪联合工况下叶片的变形和应力情况。本文主要研究的是复杂海洋载况下5MW海洋浮式风机叶片的结构强度特性,对未来海洋浮式风机叶片的设计发展和结构强度校核有较好的参考价值。