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海上风电机组结构抗船撞及抗震性能研究

郝二通  
【摘要】:十余年来海上风力发电在全球方兴未艾,成为海上绿色能源开发和利用的最主要形式。伴随着海上风电场不断规划和兴建,其在服役期内遭遇船舶撞击和地震作用将影响风机安全运营,甚至出现风机倒塌的更严重后果,因此,开展不同类型基础海上风机遭遇船舶撞击的基础损伤和动力响应研究、进行海上风机水下振动台模型试验分析,对于海上风机的安全设计和正常运营具有重要理论研究意义和实际应用价值。本文致力于海上风机遭遇船舶撞击和地震作用的性能研究,首先,基于有限元分析软件LS-DYNA,研究了船舶风机最大碰撞力与船舶质量、速度及碰撞角度间关系,然后从多方面综合评估了不同类基础海上风机抗撞性能,并针对单桩基础提出一种防撞装置,对其进行了优化,最后开展了单立柱三桩导管架基础海上风机的水下振动台模型试验。论文系统深入地分析了海上风机遭遇船舶撞击和地震作用亟需解决的关键问题和技术难题,取得了具有一定理论意义和工程价值的科研成果。主要研究工作如下:(1)基于船舶与单桩基础海上风机的碰撞研究,结果表明船舶初始动能在分别不超过约35MJ、35 MJ、5 MJ时,最大碰撞力与船舶质量1/3次方、速度、碰撞角度正弦值成线性关系,超过时线性关系不再明显,提出面积受损率来定量描述受撞风机基础的损伤程度,通过计算可知其能合理反映风机基础的受损区域和受损面积。(2)针对单桩基础、单立柱三桩导管架基础和桁架式导管架基础海上风机遭遇船舶碰撞问题,考虑最大碰撞力、损伤面积、海床面处弯矩最大值、钢材消耗量和机舱加速度最大值因素,可知桁架式导管架基础风机产生最小碰撞力、损伤面积和机舱加速度及中等弯矩值和钢材消耗量,得出桁架式导管架基础海上风机具有最佳综合抗撞性能。(3)针对单桩基础海上风机,提出一种内部为天然橡胶、外部为钢制壳体的防撞装置,以其质量为约束,考虑碰撞力和机舱加速度,对防撞装置的橡胶硬度、橡胶厚度和钢壳厚度进行了对比优化,得出最佳性能防撞装置参数为橡胶硬度10°、橡胶厚度1.5m和钢壳厚度10 mm,基于一阶优化算法,提出同时考虑主体结构和附属结构的防撞装置一体化设计,并给出设计流程,分析显示一体化设计结果与前者结果基本一致。(4)单立柱三桩导管架基础海上风机水下振动台试验研究表明,遭遇地震作用时,加速度最大响应位于中段塔筒顶区域,而应变较大区域主要集中在塔筒底部和撑杆1端部,尽管波浪单独作用对海上风机响应很小,但地震和波浪联合作用下风机响应要比地震单独作用下风机响应有不可忽略的提高,所以,地震和波浪耦合作用效应不可忽略。


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