海上風(fēng)電機(jī)組整體桁架式支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與疲勞研究.pdf

1、進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，能源緊張與溫室氣體效應(yīng)已經(jīng)成為人們面臨的兩大主題。世界各國(guó)都在積極探索發(fā)展新型能源，特別是清潔可再生能源。因此，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源已在世界范圍內(nèi)受到重視，尤其是近海風(fēng)能就更是許多發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā)的重點(diǎn)。
　　 海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來(lái)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。發(fā)電成本是海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸.研究表明，按照目前的技術(shù)水平和20年設(shè)計(jì)壽命計(jì)算，海上風(fēng)電的發(fā)電成本約合人民幣0.4

2、2元(或0.05美元)/kWh。而影響海上風(fēng)電成本的主要因素是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本(包括制造、安裝和維護(hù))。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占15～25％，而陸上風(fēng)電場(chǎng)僅為5～10％。因此，發(fā)展低成本的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低海上風(fēng)電成本的一個(gè)主要途徑。
　　 本文的研究工作包括如下幾個(gè)方面：
　　 (1)在研究各種海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種整體桁架式海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)。采用了風(fēng)機(jī)與支撐結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的方法求得系統(tǒng)的固有頻

3、率，并利用有限元分析軟件ANSYS建立水深為10m的整體桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，進(jìn)行模態(tài)分析。得出固有頻率值，以確定結(jié)構(gòu)不會(huì)與風(fēng)機(jī)的工作頻率耦合發(fā)生共振。同時(shí)與當(dāng)前海上風(fēng)電場(chǎng)流行的支撐結(jié)構(gòu)單柱式支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。
　　 (2)采用風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)載荷與環(huán)境載荷聯(lián)合的方法對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。在此基礎(chǔ)上研究了風(fēng)機(jī)載荷、風(fēng)、海浪、流和冰單獨(dú)作用的情況下對(duì)整體桁架式與單柱式支撐結(jié)構(gòu)不同動(dòng)力作用，并作了比較。然后研究了極端工況和操作工況下支撐結(jié)構(gòu)

4、的動(dòng)力分析，得出關(guān)鍵部位單元的位移和等效應(yīng)力時(shí)程曲線。
　　 (3)利用Miner線性累積疲勞損傷算法以及雨流計(jì)數(shù)法理論，通過(guò)MATLAB編程估算了整體桁架式支撐結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
　　 研究表明：整體桁架式支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度利用率較單柱式結(jié)構(gòu)有所提高。此外，整體桁架式結(jié)構(gòu)具有環(huán)境載荷(不包括風(fēng)機(jī)載荷)小，材料、制造和安裝成本低的特點(diǎn)，而且還符合我國(guó)目前海洋工程的施工技術(shù)水平，可利用現(xiàn)有的海洋工程施工機(jī)具和裝備進(jìn)行海上安裝。<