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浮式风机塔筒和系泊系统结构可靠性研究

浮式风机塔筒和系泊系统结构可靠性研究

作者：孙少恒哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

海上风电事业正以前所未有的速度进行发展,海上风机也从浅海走向深海,从固定式向漂浮式发展;随着水深的增加,海洋环境也更加复杂,会产生很大的环境载荷,对风机的正常使用和结构造成很大的威胁。因此,必须对风机的可靠性进行评估以确保... 详细信息

海上风电事业正以前所未有的速度进行发展,海上风机也从浅海走向深海,从固定式向漂浮式发展;随着水深的增加,海洋环境也更加复杂,会产生很大的环境载荷,对风机的正常使用和结构造成很大的威胁。因此,必须对风机的可靠性进行评估以确保风机能够正常工作。有鉴于此,本文以NREL-5MW半潜式浮式风机为例,通过对浮式风机的塔筒和系泊系统进行结构可靠性计算,求得相应的可靠性指标,实现对结构的安全评估。首先,对浮式风机的塔筒进行抗风可靠性计算。以Davenport谱为例,利用谐波叠加法分别对平均风速、脉动风速和风载荷分别进行仿真,得到相应变量的时程曲线;在此基础上,利用MATLAB编制的相应程序,通过对概率密度演化方程的求解,得到正常工作性能指标(塔筒顶端位移值)和抗弯能力(塔筒底部截面正应力)所服从的概率密度函数,通过给定的阈值,求出风机在最大作业状态和极限停机状态下的抗风动力可靠度。计算结果表明,在最大作业工况和极限停机工况下,塔筒的抗弯能力能够满足可靠性要求;在极限停机状态下,风机正常工作性能不能满足可靠性的要求,需要在设计时加以考虑。其次,针对半潜式浮式风机的系泊系统进行时域分析,结合AQWA水动力软件,求得风机系泊系统在额定状态、最大作业状态和极限停机状态下的轴向张力时域曲线;在获得时域数据的基础上,利用极值原理,分别对系泊链载荷和破断强度建立概率分布模型,并通过MATLAB编制的程序,对数据进行拟合得到各概率模型的参数,确立其概率分布。最后,在确定其概率分布的情况下,分别利用一次二阶矩和蒙特卡洛法对单根系泊链和整个系泊系统的结构可靠性进行计算。结果表明,在极限停机工况下,单根系泊链的破断强度能够满足可靠性要求,但系泊链整体的可靠性指标低于目标值,处于不安全的状态。

关键词：浮式风机结构可靠性塔筒系泊系统

基于频域方法的漂浮式风机水动力-气动力-控制耦合动力响应特性研究

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上海交通大学学报 2024年

作者：京炅琳许玉旺杨舟宋斌张萌萌任浩杰上海交通大学海洋工程国家重点实验室

风浪流联合作用下浮式风机动力响应时域计算方法已经得到较为充分的研究和发展，但是由于其计算效率相对较低，在浮式风电场机组排布优化以及浮式风机和系泊系统初步设计方案优化中应用时需要巨大计算资源，因此本文聚焦于可实现浮式风... 详细信息

风浪流联合作用下浮式风机动力响应时域计算方法已经得到较为充分的研究和发展，但是由于其计算效率相对较低，在浮式风电场机组排布优化以及浮式风机和系泊系统初步设计方案优化中应用时需要巨大计算资源，因此本文聚焦于可实现浮式风机动力响应快速计算的频域分析方法，其能够同时考虑一阶和二阶波浪载荷、风轮脉动风载荷、细长杆件粘性载荷、系泊系统以及风机变桨控制策略等多种环境载荷因素。首先，针对风机额定以下作业、变桨作业以及停机等不同工况，将频域方法计算结果与Orcaflex软件时域预报结果进行了对比分析，二者在动态响应频谱及统计值方面都有较好的一致性，验证了本文频域分析方法的适用性及准确性，能够为浮式风机的初步设计及参数敏感性分析提供可靠的参考价值；进一步，基于该频域方法，研究了风浪参数、二阶波浪力以及是否考虑风机控制策略对浮式风机动力响应特性的影响。

关键词：浮式风机频域方法载荷线性化动力响应二阶波浪力

浅水半潜型浮式风机基础概念设计与模型试验研究

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海洋工程 2023年第1期41卷 128-140页

作者：杨灿肖龙飞程正顺曹群刘明月上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院海南三亚572000

目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机... 详细信息

目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机基础概念SPIC,采用参数化建模与优化方法,开展了42 m水深条件下半潜型浮式风机基础概念设计,并在海洋工程水池开展1∶50缩尺模型试验。模型试验的结果表明:半潜式浮式风机基础概念设计具有稳定性好、动力性能优良等优点,浮式基础纵摇运动、机舱加速度等指标满足规范要求。模型试验结果验证了该概念的可行性。

关键词：浮式风机半潜型基础浅水概念设计模型试验

风浪联合作用下浮式风机-TMDI系统振动控制

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振动工程学报 2024年

作者：畅通彭勇波同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室同济大学土木工程学院

针对Spar式浮式风机-调谐质量惯容阻尼器(TMDI)全耦合系统在风浪联合作用下的参数设计与振动控制开展问题,建立了具有高精度的15自由度Spar式浮式风机理论模型,并与FAST做了对比,在此基础上分析了风浪联合作用下浮式风机-TMDI系统的减... 详细信息

针对Spar式浮式风机-调谐质量惯容阻尼器(TMDI)全耦合系统在风浪联合作用下的参数设计与振动控制开展问题,建立了具有高精度的15自由度Spar式浮式风机理论模型,并与FAST做了对比,在此基础上分析了风浪联合作用下浮式风机-TMDI系统的减振效能。为了得到全局最优的系统参数,引入代理模型进行考虑时变、全耦合系统的优化设计。算例分析表明,采用此方法优化设计的TMDI具有预期的控制效果和“降质减程”作用,比TMD减振效率更高,同时能降低75%的质量和减少80%左右的冲程。

关键词：浮式风机调谐质量惯容阻尼器风浪联合作用耦合动力学振动控制代理模型

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浮式风机极限载荷与疲劳载荷对比分析

浮式风机极限载荷与疲劳载荷对比分析

作者：张友文上海交通大学

学位级别：硕士

开发海上风电场发展海上风机已成为坚定不移的趋势。针对海上风机的设计标准IEC61400-3要求对风机进行全面的载荷分析。研究即根据IEC61400-3标准,应用FAST软件分别仿真计算张力腿式、半潜式、Spar式及驳船式四种浮式风机的极限载荷及... 详细信息

开发海上风电场发展海上风机已成为坚定不移的趋势。针对海上风机的设计标准IEC61400-3要求对风机进行全面的载荷分析。研究即根据IEC61400-3标准,应用FAST软件分别仿真计算张力腿式、半潜式、Spar式及驳船式四种浮式风机的极限载荷及疲劳载荷,并进行对比分析。针对风机极限载荷,IEC建议采用统计外推方法进行计算,本文应用超越门槛值法对FAST仿真结果进行数据处理,然后以Gumbel分布外推计算风机极限载荷。外推计算需根据IEC61400-3设计工况进行大量的仿真以保证精度。为节省计算成本,本文通过对近海固定式风机进行仿真计算,分析其极值载荷,得出影响海上风机极限载荷的主导风速。研究显示对于海上固定式风机,在风速达到额定风速时其各参数面外载荷达到最大值,而面内载荷则在高风速时达到最大值。因此在计算浮式风机极限载荷及疲劳载荷时,仅进行额定风速及高风速海洋环境下的仿真计算。考虑到海洋环境的随机性及每种浮式风机固有频率,每组风速皆仿真计算三组波浪载荷下风机极限载荷。而在研究时则主要进行两方面的对比分析——1):额定风速下四种不同概念浮式风机之间的对比;2):以半潜式浮式风机为代表分析不同海洋环境下风机极限载荷与疲劳载荷。

关键词：浮式风机统计外推极限载荷疲劳载荷对比分析

新型全潜式浮式风机在不同风况下的动力响应分析

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2019年第S1期49卷 120-127页

作者：乐丛欢滕丽霞李彦娥丁红岩张健天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 天津大学建筑工程学院天津300072

针对一种新型全潜式浮式风机,应用FAST软件建立风电机组-塔筒-浮式平台-系泊系统的时域耦合分析模型,研究其在不同风况下的动力响应。计算结果表明:风速对于该浮式风机的动力响应影响明显,浮式平台的纵荡、纵摇以及风机叶片根部弯矩与... 详细信息

针对一种新型全潜式浮式风机,应用FAST软件建立风电机组-塔筒-浮式平台-系泊系统的时域耦合分析模型,研究其在不同风况下的动力响应。计算结果表明:风速对于该浮式风机的动力响应影响明显,浮式平台的纵荡、纵摇以及风机叶片根部弯矩与风机在不同风速下受到的推力相关,由于新型全潜式浮式风机垂荡方向刚度很大,风速变化对于其垂荡运动影响相对较小;各风况下,系泊缆始终处于张紧状态,新型全潜式浮式风机运动幅值较小,具有良好的运动性能。

关键词：浮式风机风况动力响应时域分析耦合分析

垂荡板对浮式风机水动—气动耦合性能影响研究

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海洋工程 2022年第1期40卷 65-73页

作者：郑建才赵伟文万德成上海交通大学船海计算水动力学研究中心(CMHL)船舶海洋与建筑工程学院上海200240 浙江大学海洋学院浙江舟山316021

随着风电产业向深远海发展,浮式风机已经成为海上风机未来的发展趋势。由于复杂的风浪联合环境载荷作用,浮式风机作业时通常会产生大幅度的运动响应,这一方面会使得浮式风机系统受到的水动力载荷更加复杂,另一方面会影响浮式风机的输出... 详细信息

随着风电产业向深远海发展,浮式风机已经成为海上风机未来的发展趋势。由于复杂的风浪联合环境载荷作用,浮式风机作业时通常会产生大幅度的运动响应,这一方面会使得浮式风机系统受到的水动力载荷更加复杂,另一方面会影响浮式风机的输出功率。因此,如何有效地抑制浮式风机系统的运动响应就成为了设计的关键。基于非稳态致动线模型和两相流求解器naoeFOAM-SJTU,进行了带垂荡板的浮式风机耦合性能研究。首先在OC3-Hywind Spar平台上附加垂荡板,并结合NREL-5 MW风力机建立带垂荡板的浮式风机模型。其次对比不同形状的垂荡板对Spar-5 MW型浮式风机气动—水动耦合结果,分析相同风浪联合作用条件下垂荡板形状对浮式风机耦合响应的影响。研究结果表明:垂荡板能够减小纵荡和垂荡等运动响应幅值,但是对纵摇运动响应影响较小;当垂荡板直径和吃水位置相同时,相同风浪条件下圆形垂荡板能使浮式风机的气动平均功率增大约0.844%,而正方形垂荡板却使平均功率减小1.492%,这说明圆形垂荡板对浮式风机系统的作用效果整体而言优于正方形。

关键词：非稳态致动线模型 naoeFOAM-SJTU求解器垂荡板水动—气动耦合浮式风机海上风电

基于SSA-TCN-BiGRU的半潜型浮式风机运动姿态预测方法

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船舶工程 2024年第12期46卷 163-172页

作者：宋磊黄佳睿吴奇龙王成姜晓晨山东交通学院船舶与港口工程学院山东威海264209

半潜型浮式风机的运动姿态对其设备结构、动力效率、运维难度、安全性和稳定性有着显著的影响。在工程实践中,半潜型浮式风机的运动姿态预测至关重要。目前,深度学习技术的发展为这个问题带来了一些潜在的解决方案。由于半潜型浮式风机... 详细信息

半潜型浮式风机的运动姿态对其设备结构、动力效率、运维难度、安全性和稳定性有着显著的影响。在工程实践中,半潜型浮式风机的运动姿态预测至关重要。目前,深度学习技术的发展为这个问题带来了一些潜在的解决方案。由于半潜型浮式风机的运动姿态具有非平稳、非线性以及难以预测的特性,因此为了提高预测的精度,基于数值模拟方法获取半潜型浮式风机在湍流风和不规则波浪下的运动,并以此为研究对象,提出了一种基于麻雀搜索算法(SSA)优化的时序卷积神经网络(TCN)与双向门控循环单元(BiGRU)组合的半潜型浮式风机运动姿态的预测方法。采用数值模拟的半潜型浮式风机运动姿态数据进行对比验证,结果表明,所提出的预测模型较于反向传播神经网络(BP)、卷积神经网络(CNN)、长短期记忆网络(LSTM)、LSTM-ATTENTION和TCN-Bi GRU预测模型预测精度均有相应提升,在精度提升的同时,还能够保证较好的计算效率。研究成果可为海上半潜型浮式风机的运动姿态预测提供新的思路。

关键词：浮式风机运动姿态预测深度学习麻雀搜索算法时序卷积神经网络双向门控循环单元

波浪载荷及气动力引起的半潜浮式风机疲劳损伤分析

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海洋工程 2022年第5期40卷 19-27页

作者：冯士伦杨虎唐友刚李焱天津大学建筑工程学院天津300350 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350

研究浅水半潜式大功率浮式风力机波浪载荷和气动力引起的基础结构疲劳损伤,揭示基础结构的疲劳损伤机理。采用谱疲劳损伤计算分析方法,以10 MW风力机为例,计算波浪载荷引起的热点应力及多种海况引起的疲劳损伤。采用叶素动量理论并基于... 详细信息

研究浅水半潜式大功率浮式风力机波浪载荷和气动力引起的基础结构疲劳损伤,揭示基础结构的疲劳损伤机理。采用谱疲劳损伤计算分析方法,以10 MW风力机为例,计算波浪载荷引起的热点应力及多种海况引起的疲劳损伤。采用叶素动量理论并基于所在海域的风速分布,计算叶轮转动引起的气动力及其引起的疲劳损伤。计算结果表明,对于半潜式三立柱浮式风力机,波浪载荷引起的基础结构应力远大于气动力引起的基础结构应力,基础结构损伤主要是由波浪载荷引起,气动力引起的浮式基础结构的损伤为10^(-3)量级,而波浪载荷引起的损伤为10^(-1)量级。

关键词：疲劳损伤叶素动量理论 S-N曲线浮式风机气动力