采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构的研究

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近海风能是一种有前途的新能源。近海风力发电机支撑结构所处的环境十分恶劣,施工困难,建造成本高,是当今近海工程领域的研究热点。近海风力发电机支撑结构的基础有以下几种类型:重力式,桶基(吸力)单立柱式,单立柱式(单桩、多桩),三腿/四腿导管架式,浮式等。目前,近海风力发电机支撑结构大多数都采用重力混凝土式和单桩钢结构式基础设计方案。本文研究的是下部采用导管架,上部采用圆筒型塔架的近海风力发电机支撑结构。采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构,目前在国内外都很少采用,和常见的采用重力混凝土和单桩钢结构基础的设计方案相比,其适用于更深的水域(20m至50m),并且施工技术更加成熟。在国内外都没有具体规范的情况下,本文对采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构进行了研究。研究的内容包括:环境作用分析,结构模态分析和结构非性线时程分析。本文分析了结构所受的风荷载,波流荷载,地震作用。风荷载计算时,采用了频域法和时域法计算了结构的风振系数。分析结果表明,对此类结构影响最大的是风荷载。波流荷载影响也较大,但是由于作用位置的原因,波流荷载对结构的影响远没有风荷载大。为了防止共振,结构的自振频率应该避开风机旋转频率的1P和3P±10%的范围。为了更准确的对近海风力发电机支撑结构进行模态分析,必须考虑桩土相互作用。按常规的海洋工程结构桩基础简化方法(在泥面以下6倍桩径处取固定端)对此类结构进行模态分析时,会产生较大的误差。这种方法仅适用于对结构模态的初步估算。本文进行了考虑风荷载的非线性时程分析,结果表明,轮毂高度处的平均风速超过了65m/s时,本文算例中的结构有倒塌的危险。本文较详细的分析了采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构设计时所需考虑的各种因素,对废弃的导管架采油平台改装成风力发电机支撑结构和新建的采用导管架结构的风力发电机支撑结构的设计具有一定的参考价值。
摘要第5-6页
Abstract第6-7页
第一章 绪论第11-23页
    1.1 海上风力发电发展现状和前景第11-13页
    1.2 风力发电机支撑结构的分类第13-18页
        1.2.1 桩承式第13-16页
        1.2.2 重力式基础第16页
        1.2.3 吸力式基础第16-17页
        1.2.4 浮式基础第17-18页
    1.3 风力发电机支撑结构的研究现状第18-20页
        1.3.1 风力发电机支撑结构所受荷载的研究第18-19页
        1.3.2 风力发电系统模态研究第19-20页
        1.3.3 风荷载作用下支撑结构的响应研究第20页
    1.4 本课题的主要研究内容第20-21页
        1.4.1 采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构所受荷载的研究第20-21页
        1.4.2 采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构的模态研究第21页
        1.4.3 采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构受台风作用时的响应第21页
    1.5 本章小结第21-23页
第二章 环境作用分析第23-49页
    2.1 计算模型介绍第23-25页
    2.2 支撑结构所受的风荷载第25-37页
        2.2.1 采用导管架结构的近海风力发电支撑结构风振系数频域计算方法第25-27页
        2.2.2 采用导管架结构的近海风力发电支撑结构所受风荷载时域计算方法第27-28页
        2.2.3 频域法的计算实例第28-30页
        2.2.4 脉动时程的生成第30-34页
        2.2.5 结构的在随机风速下的响应第34-37页
    2.3 波浪荷载和海流荷载第37-43页
        2.3.1 Morison 方程第37-38页
        2.3.2 PIPE59 单元介绍第38-42页
        2.3.3 采用导管架结构的近海风力发电支撑结构所受波流荷载计算第42-43页
    2.4 地震作用第43-47页
        2.4.1 概述第43页
        2.4.2 地震作用计算第43-47页
    2.5 本章小结第47-49页
第三章 采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构的模态研究第49-55页
    3.1 模态分析原理第49页
    3.2 模型的简化第49-52页
        3.2.1 风机,轮毂和叶片的简化第49-50页
        3.2.2 桩基础的简化第50-52页
    3.3 计算结果分析第52-54页
        3.3.1 考虑加质量影响的情况第52页
        3.3.2 不考虑附加质量影响的情况第52页
        3.3.3 考虑附加质量影响和腐蚀的情况第52-53页
        3.3.4 计算结果和规范要求对比分析第53-54页
    3.4 本章小结第54-55页
第四章 采用导管架结构的近海风力发电机支撑结构在风荷载作用下非线性时程分析第55-68页
    4.1 多自由度体系强迫振动方程的数值解法[51,52]第55-59页
        4.1.1 线性加速度法第55-57页
        4.1.2 威尔逊-θ法第57页
        4.1.3 纽马克法第57-58页
        4.1.4 中心差分法第58-59页
    4.2 脉动风时程的生成第59-62页
    4.3 非线性时程分析第62-67页
        4.3.1 V_(10)为 60m/s 时的非线性时程分析第63-65页
        4.3.2 V_(10)为 65m/s 时的非线性时程分析第65-66页
        4.3.3 V_(10)为 70m/s 时的非线性时程分析第66-67页
    4.4 本章小结第67-68页
结论与展望第68-70页
    结论第68页
    展望第68-70页
参考文献第70-74页
攻读硕士学位期间取得的研究成果第74-75页
致谢第75-76页
附件第76页
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