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风浪耦合下的半潜式风机动力响应及塔基结构强度研究

风浪耦合下的半潜式风机动力响应及塔基结构强度研究

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作者：张培智江苏科技大学

学位级别：硕士

浮式风机在工作期间会同时受到风和波浪载荷的影响,并且风和浪一直都在变化中,面对复杂多变的风和波浪载荷,浮式风机系统的运动会受到很大影响;而风机的运动同时会对波浪载荷及风载荷产生反作用,因此需要将浮式风机看成一个耦合整体系统... 详细信息

浮式风机在工作期间会同时受到风和波浪载荷的影响,并且风和浪一直都在变化中,面对复杂多变的风和波浪载荷,浮式风机系统的运动会受到很大影响;而风机的运动同时会对波浪载荷及风载荷产生反作用,因此需要将浮式风机看成一个耦合整体系统,研究其风浪耦合作用下的动力响应;而浮式风机塔基结构受力复杂,一是顶部风机传递下来的风机载荷;二是浮式基础受风浪载荷作用的反作用力;三是外部风载荷,所以塔基结构极易发生结构破坏,因此有必要对塔基结构进行强度校核以及疲劳分析研究。本文结合OC4和Wind Float半潜浮式风机基础结构型式,改进设计了OC4-Wind Float半潜浮式风机。该风机具有比OC4半潜浮式风机更低的建造成本以及比Wind Float半潜浮式风机更好的稳性。首先依据《漂浮式海上风机设备建造和分类指导规范(ABS/Guide for Building and Classing-Floating Offshore Wind Turbine Installations)》,然后采用DNV船级社SESAM有限元软件中的SIMA模块对OC4半潜浮式风机有限元模型进行风浪耦合分析,将固有周期结果与文献试验结果进行比对研究,在结果相一致的基础上,进行OC4-Wind Float半潜浮式风机风浪耦合数值模拟分析,进行不同型式浮式的时域动态响应研究;而后采用ANSYS软件建立OC4-Wind Float半潜浮式风机整体塔基及局部法兰结构有限元模型并进行总体和局部强度分析及强度校核;最后采用线性疲劳累积损伤理论对局部法兰结构的疲劳寿命进行分析和校核,本文主要结论如下:(1)OC4-Wind Float与OC4半潜浮式风机纵横荡和艏摇固有周期基本保持一致,而横纵摇和垂荡固有周期有差异;对于极端和运行工况,在纵荡、横荡和艏摇上OC4-Wind Float和OC4半潜浮式风机位移响应幅值比较相近;横摇、纵摇和垂荡的运动响应幅值有一定差值。(2)在极端工况风机停机和运行工况风机正常发电下,OC4-Wind Float半潜浮式风机塔基结构Von-Mises应力集中点位于螺栓与上法兰连接处,极端工况下最大Von-Mises应力为283MPa;运行工况下为197MPa,满足相关规范强度要求。(3)在极端工况风机停机和运行工况风机正常发电下,OC4-Wind Float半潜浮式风机局部法兰结构Von-Mises应力集中点在螺母与上法兰板的上表面;极端工况下最大局部法兰结构最大Von-Mises应力为302MPa,运行工况下为211MPa,满足相关规范强度要求。(4)预紧力可以有效地减小OC4-Wind Float半潜浮式风机局部法兰结构轴向拉力作用下的顶端变形,纵向弯矩对局部法兰结构Von-Mises应力的影响较大,随着预紧力的变大,螺栓最大Von-Mises应力集中点位置也发生改变,0%预紧力的时候,螺栓应力集中点位置在螺帽处,100%预紧力时,螺栓应力集中点在螺母位置处。(5)OC4-Wind Float半潜式风机塔基局部法兰结构疲劳寿命为21.21年满足,相关规范疲劳强度要求。

关键词：半潜式风机风浪耦合塔基结构局部法兰结构强度

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