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环境荷载下多桩式海上风机整体结构的力学响应

张戈  
【摘要】:风能资源作为可再生能源的一种,已成为全球新能源重点开发对象。研究适用于中、深海域的海上风机结构特性,对发展海上风电意义重大。以往对海上风机结构受力特性的探讨多集中在风机基础结构部分,对整体结构力学响应特性的研究不够充分。本文以六桩导管架式海上风机整体结构为研究对象,在考虑桩—土相互作用的情况下,对海上风机整体结构在海洋环境荷载下的力学响应作分析研究。以期为有效开发利用海上风能资源提供支撑。具体进行了如下工作:首先,对海上风机整体结构在复杂海洋环境中承受海风、海流和波浪荷载的计算理论及方法进行详细阐述。根据荷载组合原则,确定出结构在不同荷载组合下的三种作业工况。其后,就海底泥面以下桩基础与桩基周围土体的相互作用从作用机理、边界条件、计算求解等方面进行分类探讨。其次,利用ANSYS有限元软件选定5种模拟单元类型,特别是用BEAM188模拟变径、变截面构件;COMBIN39模拟桩—土相互作用。结合APDL命令流编程语言对六桩导管架式海上风机整体结构建立两种不同的有限元分析模型。然后,以六倍桩径法约束风机桩基础,对海上风机整体结构作力学特性分析。通过不同荷载单独作用于风机结构得出各荷载对海上风机整体结构的作用影响。对海上风机整体结构作不同环境荷载组合下三种工况的准静力分析,得出六桩导管架式海上风机整体结构对静力响应的结果,并以分析结果对结构进行强度校核。依据结构模态分析的结果判断风机整体结构的自振频率是否与外部激励频率产生共振效应,是否会引发共振破坏。依据结构瞬态动力学分析结果,得到了结构节点的位移、单元主应力随波浪周期的变化规律。最后,采用土弹簧法模拟桩—土相互作用,对海上风机整体结构在海洋环境荷载下的力学响应进行分析,并将响应结果与六倍桩径法作边界约束的结果作比较研究。分析导致差异出现的主要原因是由于两种方法对桩基腿在海底泥面以下边界约束条件不同所致。土弹簧法更贴合桩—土相互作用关系,能更好的反映基础结构在海底泥面以下结构的实际受力情况,但对适用范围有一定要求。


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