海上測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p><b>　　1 前言3</b></p><p>　　2 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù)6</p><p>　　

2、2.1 環(huán)境條件6</p><p>　　2.2測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)依據(jù)6</p><p>　　3 測(cè)風(fēng)塔的主尺度及其結(jié)構(gòu)圖8</p><p>　　3.1測(cè)風(fēng)塔的主尺度8</p><p>　　4 海上測(cè)風(fēng)塔載荷計(jì)算12</p><p>　　4.1 風(fēng)載荷計(jì)算12</p><p>　　4.2 波浪

3、載荷計(jì)算13</p><p>　　4.3冰載荷計(jì)算14</p><p>　　5 平臺(tái)模型的建立16</p><p>　　5.1 模型狀況16</p><p>　　5.2 測(cè)風(fēng)塔模型建成19</p><p><b>　　6 施加載荷23</b></p><p>　

4、　6.1 風(fēng)浪冰載荷23</p><p>　　6.2 測(cè)風(fēng)塔工況24</p><p>　　7 測(cè)風(fēng)塔的極限承載力計(jì)算25</p><p>　　7.1 0° 風(fēng)浪工況25</p><p>　　7.2 0° 風(fēng)冰工況30</p><p>　　7.3 45°風(fēng)浪工況34&l

5、t;/p><p>　　7.4 45°風(fēng)冰工況39</p><p>　　8 測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)方案的比較選擇44</p><p><b>　　9 設(shè)計(jì)總結(jié)46</b></p><p>　　9.1設(shè)計(jì)目標(biāo)46</p><p>　　9.2完工情況46</p><p>　

6、　9.3總結(jié)和體會(huì)46</p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]48</b></p><p>　　海上測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本方案針對(duì)渤海灣黃驊港東側(cè)20公里處擬建的一座海上測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)形式與施工方式的可行性研究

7、，確定測(cè)風(fēng)塔切實(shí)可行的方案，以滿足風(fēng)資源資料測(cè)量收集的需要。主要分為以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：</p><p>　　一、通過(guò)測(cè)風(fēng)塔的任務(wù)書以及測(cè)風(fēng)塔的CAD平面圖紙?jiān)趐rtran軟件上來(lái)建幾何模型，然后，稍加改變測(cè)風(fēng)塔的一些結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)出另外倆個(gè)測(cè)風(fēng)塔的模型。確定結(jié)構(gòu)模型后對(duì)模型的細(xì)部特征進(jìn)行修改（主要是重復(fù)節(jié)點(diǎn)的刪除）特別是在結(jié)構(gòu)連接處進(jìn)行結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的檢查。</p><p>　　二、

8、利用測(cè)風(fēng)塔的CAD圖紙并結(jié)合渤海氣象資料對(duì)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)，浪，冰載荷進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　三、根據(jù)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)浪冰載荷的計(jì)算結(jié)果在測(cè)風(fēng)塔相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處施加約束和受力。然后，依據(jù)不同的條件，得出四個(gè)不同的工況，在各自工況的條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析。</p><p>　　四、根據(jù)四個(gè)結(jié)構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并找出最合理的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 海上測(cè)風(fēng)塔；結(jié)構(gòu)

9、設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；MSC-Patran&Nastran； </p><p>　　Offshore wind measurement tower</p><p>　　[Abstract] The program is 20 km east of the Bohai Bay of Huanghua Port proposed an offshore wind tower Through

10、 the wind tower structure and construction of a feasibility study to determine the wind measurement tower practical solutions to meet the needs of the wind resource data measurements collected.which is mainly divided int

11、o the following several aspects in design:</p><p>　　First, through the mission statement wind tower and wind measurement tower CAD plane drawings prtran software up to build the geometric model，Then, there

12、is little to change the structural arrangement of the wind tower design both wind measurement tower model. Modify the detailed characteristics of the model to determine the structure model。(Delete duplicate nodes)，Inspec

13、tion of the structure node in the structure of the junction.</p><p>　　Second, Calculated wind, waves, ice load through CAD drawings of the wind measurement tower and combined with the Bohai meteorological da

14、ta.</p><p>　　Third, Impose constraints on the wind measurement tower corresponding to the nodes according to storm the ice load calculations and force. Then, depending on the conditions to draw four differen

15、t conditions, structural analysis under the conditions of the respective conditions.</p><p>　　Fourth, Compare and identify the most reasonable structure based on the results of the four structural</p>

16、<p>　　【Keywords】Offshore wind towers; structural design; structural optimization</p><p><b>　　1 前言</b></p><p><b>　　1.1緒 論</b></p><p>　　MSC-Patran&N

17、astran的介紹</p><p>　　MSC.Patran 有完善的獨(dú)立幾何建模和編輯工具,以使用戶更靈活的完成模型準(zhǔn)備，智能化模型處理,MSC.Patran 允許用戶直接在幾何模型上設(shè)定載荷、邊界條件、材料和單元特性,并將這些信息自動(dòng)地轉(zhuǎn)換成相關(guān)的有限元信息,以最大限度地減少設(shè)計(jì)過(guò)程的時(shí)間消耗。所有的分析結(jié)果均可以可視化。自動(dòng)有限元建模MSC.Patran 的新產(chǎn)品中不斷增加了很多更靈活更方便的智能化工具,同

18、時(shí)提供了自動(dòng)網(wǎng)格及工業(yè)界最先進(jìn)的映射網(wǎng)格劃分功能,使用戶快速完成他們想做的工作。完全的分析集成,將世界先導(dǎo)的不同類型的分析軟件和技術(shù)集成MSC.Patran 一個(gè)公共的環(huán)境中共用一個(gè)模型,為用戶提供了其他任何軟件所無(wú)可比擬的靈活性,使用戶能夠在最短的時(shí)間內(nèi)根據(jù)多種類型的仿真結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)給出正確的判斷。</p><p>　　MSC.Nastran 為有限元模型提供靜力分析、屈曲分析、動(dòng)力學(xué)分析等功能，其中本

19、論文模型所用到的屈曲分析就是用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，包括線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩(wěn)分析又稱特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預(yù)載荷，也可使用慣性釋放；非線性屈曲分析包括：幾何非線性失穩(wěn)分析，</p><p>　　彈塑性失穩(wěn)分析，非線性后屈曲分析。在算法上，MSC.Nastran 采用先進(jìn)的微分剛度概念，考慮高階應(yīng)變—位移關(guān)系，結(jié)合MSC.Nastran 特征值

20、抽取算法可精確地判別出相應(yīng)的失穩(wěn)臨界點(diǎn)。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　地球上風(fēng)力資源蘊(yùn)藏量很大，是一種既清潔又廉價(jià)的再生資源。世界氣象組織（WMO）估計(jì)地球上海洋和陸地的風(fēng)能源約為200億kW，其中陸地約占一半。在全球范圍內(nèi)能源短缺和生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天，各國(guó)對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越重視。許多國(guó)家把風(fēng)電建設(shè)作為重要的能源政策。目前有些發(fā)達(dá)國(guó)家成功地

21、使每千瓦風(fēng)電投資接近火電投資，并將進(jìn)一步降低發(fā)電成本。風(fēng)電工業(yè)將在全世界有較大的發(fā)展前景。我國(guó)有豐富的風(fēng)力資源。國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家科委共同制定的“1996—2010年中國(guó)新能源和可再生能源發(fā)展綱要”及“新能源可再生能源優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目”也體現(xiàn)出風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)可再生能源的發(fā)展方向，它可改善我國(guó)能源工業(yè)面臨的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。</p><p>　　海上風(fēng)能資源豐富而且穩(wěn)定，風(fēng)況優(yōu)于陸地，且受土地利用、噪聲污染、

22、鳥類保護(hù)、電磁波干擾較少，不涉及土地征用等問(wèn)題。初步資料表明，我國(guó)陸上風(fēng)電可開(kāi)發(fā)量為2.5億千瓦，在海水深2m至15m之間的海域風(fēng)電可開(kāi)發(fā)量為7.5億千瓦，我國(guó)風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)潛力在海上，特別是水深小于15m的近海，更是今后幾十年風(fēng)電發(fā)展的方向。丹麥、德國(guó)和歐盟是海上風(fēng)電發(fā)展倡導(dǎo)者。</p><p>　　世界海上風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了100萬(wàn)千瓦,但是大約40%在丹麥,其余分布在德國(guó)、英國(guó)、愛(ài)爾蘭、瑞典和意大利等

23、。丹麥?zhǔn)且粋€(gè)島國(guó),近海面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地面積,地處波羅地海,海風(fēng)風(fēng)速穩(wěn)定,沒(méi)有災(zāi)害性臺(tái)風(fēng)影響,有利于開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電場(chǎng)。目前,丹麥建成了7個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng),總裝機(jī)容量達(dá)到40萬(wàn)千瓦。因此,丹麥?zhǔn)呛Ｉ巷L(fēng)電先導(dǎo)者,也是海上風(fēng)電的倡導(dǎo)者。在丹麥的積極倡導(dǎo)和設(shè)備供應(yīng)商的推動(dòng)下,歐盟在2004年將海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)提上日程。按照歐盟風(fēng)能協(xié)會(huì)的計(jì)算, 2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1. 8億千瓦,海上風(fēng)電約為8 000萬(wàn)千瓦。歐盟各國(guó)為海上風(fēng)電項(xiàng)目審批實(shí)行一站式服

24、務(wù),為海上風(fēng)電項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)提供方便;建立統(tǒng)一海上風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)機(jī)制,建立近海海底電纜聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),方便海上風(fēng)電的接入;各國(guó)分享已經(jīng)取得的海上風(fēng)電的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)研發(fā)并盡可能形成規(guī)模化海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā);明確海上風(fēng)電過(guò)網(wǎng)費(fèi)的分擔(dān)水平,給開(kāi)發(fā)商明確的價(jià)格政策信息;充分利用海洋開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),要求海洋、海事、海運(yùn)部門為海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持,以便選擇最適合開(kāi)發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)。我國(guó)目前在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)方面才剛剛起步。</p><p&

25、gt;　　開(kāi)發(fā)海上風(fēng)能首先需要弄清近海區(qū)域風(fēng)的變化規(guī)律及特征。近岸陸地氣象站所測(cè)風(fēng)速由于受到地面粗糙度及大氣穩(wěn)定度等因素的影響，與海上風(fēng)速有一定差異，不能直接用來(lái)代表海上風(fēng)況。測(cè)風(fēng)塔的主要功能是檢測(cè)、匯集不同季節(jié)風(fēng)能氣象資料，為風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)編組、海底電纜鋪設(shè)及岸基變電站設(shè)計(jì)建設(shè)和電力并網(wǎng)提供科學(xué)依據(jù)。獲得海上風(fēng)資源數(shù)據(jù)的最直接方法就是在海上建立測(cè)風(fēng)塔。</p><p>　　海上測(cè)風(fēng)塔長(zhǎng)期的服役在惡劣的海洋環(huán)境中，

26、即使強(qiáng)度足夠，在風(fēng)，浪，流等環(huán)境載荷的影響下，測(cè)風(fēng)塔都有可能產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)響應(yīng)。過(guò)大的振動(dòng)響應(yīng)都會(huì)影響測(cè)風(fēng)塔的精確性和可靠性，削弱測(cè)風(fēng)塔的適應(yīng)性和生存性，因此有效的優(yōu)化測(cè)風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)就顯得非常的重要。</p><p>　　本設(shè)計(jì)以中國(guó)渤海海域自然壞境條件為設(shè)計(jì)依據(jù)，運(yùn)用MSC.Patran&MSC.Nastran 有限元軟件，建立海上測(cè)風(fēng)塔的有限元模型，在考慮了海風(fēng)、海流和波浪以及冰等環(huán)境荷載的基礎(chǔ)上，進(jìn)行

27、非線性分析,分別計(jì)算四種不同工況下測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)載荷，為測(cè)風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種準(zhǔn)確而行之有效的方法。</p><p>　　結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是指改變結(jié)構(gòu)的部分連接方式，幾個(gè)方案進(jìn)行比較分析，得出比較合理的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　主要包括以下方面內(nèi)容：</p><p><b>　　1、掌握基礎(chǔ)知識(shí)</b></p>

28、<p>　　a.學(xué)習(xí)PATRAN 軟件相關(guān)書籍及相關(guān)規(guī)范的學(xué)習(xí)</p><p>　　b.掌握規(guī)范對(duì)海上測(cè)風(fēng)塔的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　c.學(xué)會(huì)AutoCAD 繪圖及船舶與海上測(cè)風(fēng)塔的識(shí)圖</p><p>　　2、海上測(cè)風(fēng)塔的模型建立</p><p>　　a.在計(jì)算中建立模型</p><p><b

29、>　　b.模型的強(qiáng)度計(jì)算</b></p><p><b>　　c.強(qiáng)度校核</b></p><p>　　2 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù)</p><p><b>　　2.1 環(huán)境條件</b></p><p>　　2.1.1設(shè)計(jì)水深 </p><p>　　設(shè)計(jì)

30、水深 7m</p><p><b>　　2.1.2潮位</b></p><p>　　校核高水位（50年重現(xiàn)期） 3.08m</p><p>　　設(shè)計(jì)高水位 1.48m</p><p&

31、gt;　　平均海平面 0.00m</p><p>　　設(shè)計(jì)低水位 -0.69m</p><p>　　校核低水位 -2.32m</p><p><b>　　2.1.3波浪</b><

32、;/p><p>　　自存工況 100年一遇</p><p>　　最大波高 H=6m</p><p>　　最大波浪周期 T=8.65s</p><p><b>　　2.1.4海流

33、</b></p><p>　　本海區(qū)潮流的運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流，主流的方向大致與等深線平行，漲潮流的方向約為ESE向，落潮流為WNW。海流最大速度1.029m/s</p><p><b>　　2. 1. 5 風(fēng)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)風(fēng)速</b></p><p>　　工況設(shè)

34、計(jì)風(fēng)速下 36.0m/s</p><p>　　自存狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)速下 51.5m/s</p><p><b>　　2.1.6海冰</b></p><p>　　設(shè)計(jì)冰厚（50年一遇） 0.45m</p><p>　

35、　抗壓強(qiáng)度 200 MPa</p><p>　　2.2測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)依據(jù)</p><p>　　2.2.1 測(cè)風(fēng)塔的用鋼</p><p>　　考慮到本論文是對(duì)平臺(tái)的極限承載力的非線性分析計(jì)算，則應(yīng)該把平臺(tái)有限元模型材料</p><p>　　特性定義為彈塑性，其屈服極限240MPa，材料強(qiáng)化斜率

36、為1×103，強(qiáng)度極限為400MPa。</p><p>　　因此，單一應(yīng)力分量，以及適當(dāng)時(shí)這類應(yīng)力的直接合成，均不應(yīng)超過(guò)材料的強(qiáng)度極限</p><p><b>　　400MPa。</b></p><p>　　2.2.2 計(jì)算工況</p><p>　　平臺(tái)在自存狀態(tài)下受到風(fēng)冰載荷作用：</p>&l

37、t;p>　　風(fēng)+冰, 作用方向:橫向，即0°方向</p><p>　　風(fēng)+冰, 作用方向:斜向，即45°方向</p><p>　　平臺(tái)在自存狀態(tài)下受到風(fēng)浪流載荷作用：</p><p>　　風(fēng)+浪，作用方向:橫向，即0°方向</p><p>　　風(fēng)+浪，作用方向:斜向，即45°方向</p>

38、;<p>　　3 測(cè)風(fēng)塔的主尺度及其結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1測(cè)風(fēng)塔的主尺度</p><p>　　主體高度 100 m</p><p>　　樁 徑 1 m</p><p>　　樁 深

39、 15 m</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p>　　測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)（材料、結(jié)構(gòu)形式等）：</p><p>　　測(cè)風(fēng)塔支撐平臺(tái)采用四腿直樁的高樁承臺(tái)型式，工作點(diǎn)標(biāo)高7m，在標(biāo)高4m處設(shè)置橫撐、斜撐。主樁外側(cè)設(shè)靠船構(gòu)件、登船平臺(tái)等附屬構(gòu)件。主樁共四根，采用φ1000mm開(kāi)

40、口變壁厚鋼管樁，壁厚為28，20mm，通過(guò)臨時(shí)打樁框架主導(dǎo)管打入泥中，樁入泥35m。樁上設(shè)靠船構(gòu)件等附屬結(jié)構(gòu)。打樁時(shí)，通過(guò)在陸地預(yù)制好的臨時(shí)打樁框架（打樁完成后撤走）的主導(dǎo)管打樁。</p><p>　　測(cè)風(fēng)塔支撐平臺(tái)上為鋼結(jié)構(gòu)塔身，主體高度100m，以4 根斜鋼梁為主結(jié)構(gòu)，最下節(jié)直徑325mm；之間以斜梁和橫梁相互交叉連接。斜梁每節(jié)長(zhǎng)度約7 m，自下而上直徑逐漸減小，最下節(jié)直徑133 mm。</p>

41、<p>　　3.2 測(cè)風(fēng)塔平面結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-1 平面結(jié)構(gòu)圖1</p><p>　　圖3-2 平面結(jié)構(gòu)圖2</p><p>　　圖3-3 平面結(jié)構(gòu)圖3</p><p>　　圖3-4 平面結(jié)構(gòu)圖4</p><p>　　圖3-5 平面結(jié)構(gòu)圖5</p><p>　　圖3-

42、6 平面結(jié)構(gòu)圖6</p><p>　　4 海上測(cè)風(fēng)塔載荷計(jì)算</p><p><b>　　4.1 風(fēng)載荷計(jì)算</b></p><p>　　4.1.1 計(jì)算依據(jù)</p><p>　　自存狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)速下 51.5m/s</p><p>　　海上測(cè)風(fēng)塔所受載荷

43、 F = pA （4.1）</p><p><b>　　式中：p—風(fēng)壓；</b></p><p>　　A——結(jié)構(gòu)垂直于風(fēng)向的投影面積。</p><p>　　載荷作用于上述投影面積的中心，其標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上10m</p><p><b>　?。?.2）&

44、lt;/b></p><p>　　結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)壓為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中：CH---風(fēng)壓的高度系數(shù)；</p><p>　　CS ---構(gòu)件的形狀系數(shù)。</p><p>　　CH、CS 取值分別見(jiàn)表4.1 ，其中h（m）為構(gòu)件距海平面的高

45、度。</p><p>　　表4-1 風(fēng)壓系數(shù)構(gòu)建系數(shù)表</p><p><b>　　4.1.2計(jì)算結(jié)果</b></p><p>　　表4-2 自存狀態(tài)下0°方向測(cè)風(fēng)塔承受的風(fēng)載荷</p><p>　　樁腿受力大小為177692.57N，力作用線到海面距離36.79m</p><p>

46、　　該測(cè)風(fēng)塔在自存狀態(tài)下90°方向承受的風(fēng)載荷同自存狀態(tài)下0°方向承受的風(fēng)載荷相等</p><p>　　表4-3 自存狀態(tài)下45°方向測(cè)風(fēng)塔承受的風(fēng)載荷</p><p>　　自存狀態(tài)下45°方向該測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)載荷大小為209160.25N，和力作用線到海面距離38m。</p><p>　　4.2 波浪載荷計(jì)算</p>

47、;<p><b>　　4.2.1計(jì)算依據(jù)</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)波參數(shù)和規(guī)范要求，波浪選用斯托克斯五階波。</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　（4.5）</b></p><p><b>　?。?.6

48、）</b></p><p>　　波長(zhǎng)L=40.32 D/L=0.025 k=0.1558</p><p>　　對(duì)小尺度圓形構(gòu)件，垂直于其軸線方向單位長(zhǎng)度上的波浪力?, 當(dāng)D/L≦0.05（D 為圓形</p><p>　　構(gòu)件直徑（m）；L 為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)（m））時(shí)，可用Morison 公式計(jì)算：</p><p><b&g

49、t;　?。?.5）</b></p><p>　　則, （4.6）</p><p><b>　　4.2.2計(jì)算結(jié)果</b></p><p>　　對(duì)圓形構(gòu)件取 CD=1.0；CM=1.0；D=1m；k=0.1558</p><p>　　表4-4 波浪力計(jì)算結(jié)果</p>&l

50、t;p>　　合計(jì) 4044.8 9086.3 15584 31322</p><p>　　等效作用力離海底的距離 3.16 3.55</p><p>　　可以看出拖曳力FD =4044.8 N，拖曳力距離泥面3.16m，附加

51、質(zhì)量力FM=9086.3N，</p><p>　　附加質(zhì)量力距離泥面3.55m。</p><p><b>　　4.3冰載荷計(jì)算</b></p><p><b>　　4.3.1計(jì)算依據(jù)</b></p><p>　　工程中采用極限冰壓力作為計(jì)算的冰載荷。</p><p>　　相關(guān)

52、因素：冰的極限強(qiáng)度、冰層厚度、結(jié)構(gòu)迎冰面的寬度和厚度、冰行近結(jié)構(gòu)物時(shí)的速</p><p><b>　　度和冰溫等。</b></p><p>　　風(fēng)、流作用下，大面積冰層擠壓垂直樁柱所產(chǎn)生的冰載荷：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中：

53、 m—樁的形狀系數(shù)；</p><p>　　K1—局部擠壓系數(shù)；</p><p>　　K2—樁柱與冰層的接觸系數(shù)；</p><p>　　b—樁柱尺寸（寬度或直徑）；</p><p><b>　　h—冰層計(jì)算厚度；</b></p><p><b>　　RC—極限抗冰強(qiáng)度&

54、lt;/b></p><p><b>　　4.3.2計(jì)算結(jié)果</b></p><p>　　樁的形狀圓柱，形狀系數(shù) m=0.9；CCS 擠壓系數(shù)K1=2.5；接觸系數(shù)K2=0.45；樁柱直徑</p><p>　　b=3.2m；冰層的計(jì)算厚度h=0.45m；極限抗冰強(qiáng)度RC=1470000Pa。</p><p>　　則

55、冰載荷為：==0.9×2.5×0.45×3.2×0.3×1470000=669768.8N</p><p><b>　　5 平臺(tái)模型的建立</b></p><p><b>　　5.1 模型狀況</b></p><p>　　測(cè)風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)尺寸 （以海平面高度為0米）</p

56、><p>　　建立3個(gè)不同測(cè)風(fēng)塔的有限元模型以便對(duì)比</p><p>　　表5-1 立柱 測(cè)風(fēng)塔構(gòu)件數(shù)值</p><p>　　圖5-1 測(cè)風(fēng)塔立柱有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　表5-2 測(cè)風(fēng)塔橫框構(gòu)件</p><p>　　圖5-2 測(cè)風(fēng)塔框架有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　表5-3 測(cè)風(fēng)

57、塔斜撐構(gòu)件</p><p>　　圖5-3測(cè)風(fēng)塔斜撐有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　表5-4 測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)儀支架</p><p>　　圖5-4測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)儀有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　圖5-5測(cè)風(fēng)塔樁腿有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　5.2 測(cè)風(fēng)塔模型建成</p><p>　　在建模中

58、把整個(gè)測(cè)風(fēng)塔的模型加以簡(jiǎn)化，用二維梁?jiǎn)卧M支架與樁腿。首先，把整個(gè)測(cè)風(fēng)塔按區(qū)域劃分為不同的組，包括立柱，橫框，斜撐，測(cè)風(fēng)儀支架，避避雷針和樁腿。然后在不同的組里按照?qǐng)D紙的尺寸建立幾何模型，在幾何上劃分單元，接著定義材料屬性。這里用彈塑性鋼材，即彈性模量E=2e11Pa，泊松比λ = 0.3，密度ρ = 7850kg /m3，屈服極限240MPa，材料強(qiáng)化斜率為1×103，強(qiáng)度極限為400MPa。最后給單元附特性。在模型建立過(guò)

59、程中要特別注意單元的協(xié)調(diào)問(wèn)題，模型建好再消除重復(fù)單元。</p><p>　　圖5-6 建成后的（方案一）測(cè)風(fēng)塔有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　圖5-7 建成后的（方案二）測(cè)風(fēng)塔有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　紅色部分為結(jié)構(gòu)改變之處</p><p>　　圖5-7 建成后的（方案三）測(cè)風(fēng)塔有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p&

60、gt;　　紅色部分為結(jié)構(gòu)改變部</p><p><b>　　6 施加載荷</b></p><p><b>　　6.1 風(fēng)浪冰載荷</b></p><p>　　表6-1 測(cè)風(fēng)塔的各種工況下的載荷</p><p>　　圖6-1 海上測(cè)風(fēng)塔載荷分布圖</p><p><b&g

61、t;　　6.2 測(cè)風(fēng)塔工況</b></p><p>　　6.2.1 風(fēng)浪工況</p><p>　　0° 風(fēng)載荷+波浪載荷+約束</p><p>　　45°風(fēng)載荷+波浪載荷+約束</p><p>　　6.2.2 風(fēng)冰工況</p><p>　　0° 風(fēng)載荷+冰載

62、荷+約束</p><p>　　45°風(fēng)載荷+冰載荷+約束</p><p>　　7 測(cè)風(fēng)塔的極限承載力計(jì)算</p><p>　　結(jié)構(gòu)的極限承載能力(載荷)的定義是:就理論上而言,當(dāng)結(jié)構(gòu)逐步加載到達(dá)某一定值后,</p><p>　　若再增加一個(gè)非常小的載荷,結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的位移,此時(shí)稱為結(jié)構(gòu)失穩(wěn),承載達(dá)到極限。從計(jì)算分析上而言,若程序中

63、計(jì)算方法是采用載荷控制,則當(dāng)增大載荷至結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限狀況時(shí),結(jié)構(gòu)承載已經(jīng)達(dá)到極限。</p><p>　　本測(cè)風(fēng)塔模型的材料特性定義為彈塑性，其屈服極限240Mpa，強(qiáng)度極限為400MPa，所以當(dāng)最大組合應(yīng)力達(dá)到400MPa 時(shí)，即達(dá)到材料的屈服極限狀況時(shí),測(cè)風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)承載已經(jīng)達(dá)到極限。</p><p>　　用MSC Patran&Nastran 有限元分析軟件

64、對(duì)測(cè)風(fēng)塔的各工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，得到測(cè)風(fēng)塔在各種工況下的組合應(yīng)力、軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和及測(cè)風(fēng)塔的位移情況。</p><p>　　7.1 0° 風(fēng)浪工況</p><p><b>　　7.1.1位移</b></p><p>　　圖7-1方案一 在0°風(fēng)浪工況下的位移圖</p><p>　　圖7-2

65、方案二在0°風(fēng)浪工況下的位移圖</p><p>　　圖7-3 方案三在0°風(fēng)浪工況下的位移圖</p><p>　　7.1.2 軸向應(yīng)力</p><p>　　圖7-4 方案一在0°風(fēng)浪工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-5方案二在0°風(fēng)浪工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>

66、;　　圖7-6方案三在0°風(fēng)浪工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p><b>　　7.1.3彎曲應(yīng)力</b></p><p>　　圖7-7方案一在0°風(fēng)浪工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-8方案二在0°風(fēng)浪工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-9方案三在0°風(fēng)浪工況

67、下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　表7-1 0°風(fēng)浪工況</p><p>　　7.2 0° 風(fēng)冰工況</p><p><b>　　7.2.1 位移</b></p><p>　　圖7-10 方案一在0°風(fēng)冰工況下的的位移圖</p><p>　　圖7-11 方案二

68、在0°風(fēng)冰工況下的位移圖</p><p>　　圖7-12 方案三在0°風(fēng)冰工況下的位移圖</p><p>　　7.2.2 軸向應(yīng)力</p><p>　　圖7-13 方案一在0°風(fēng)冰工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-14方案二在0°風(fēng)冰工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>

69、;　　圖7-15方案三在0°風(fēng)冰工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　7.2.3 彎曲應(yīng)力</p><p>　　圖7-16方案一在0°風(fēng)冰工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-17方案二在0°風(fēng)冰工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-18方案三在0°風(fēng)冰工況下的彎曲應(yīng)力圖</p&

70、gt;<p>　　表7-2 0°風(fēng)冰工況</p><p>　　7.3 45°風(fēng)浪工況</p><p><b>　　7.3.1 位移</b></p><p>　　圖7-19方案一在45°風(fēng)浪工況下的位移圖</p><p>　　圖7-20方案二在45°風(fēng)浪工況下的位

71、移圖</p><p>　　圖7-21方案三在45°風(fēng)浪工況下的位移圖</p><p>　　7.3.2 軸向應(yīng)力</p><p>　　圖7-22方案一在45°風(fēng)浪工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-23方案二在45°風(fēng)浪工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-24方案三在45

72、°風(fēng)浪工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　7.3.3 彎曲應(yīng)力</p><p>　　圖7-25 方案一在45°風(fēng)浪工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-26方案二在45°風(fēng)浪工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-27方案三在45°風(fēng)浪工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><

73、p><b>　　表7-3</b></p><p>　　7.4 45°風(fēng)冰工況</p><p><b>　　7.4.1 位移</b></p><p>　　圖7-28方案一在45°風(fēng)冰工況下的位移圖</p><p>　　圖7-29方案二在45°風(fēng)冰工況下的位移圖&l

74、t;/p><p>　　圖7-30方案三在45°風(fēng)冰工況下的位移圖</p><p>　　7.4.2 軸向應(yīng)力</p><p>　　圖7-31方案一在45°風(fēng)冰工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-32方案二在45°風(fēng)冰工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-33方案三在45

75、76;風(fēng)冰工況下的軸向應(yīng)力圖</p><p>　　7.4.3 彎曲應(yīng)力</p><p>　　圖7-34 方案一在45°風(fēng)冰工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-35 方案二在45°風(fēng)冰工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p>　　圖7-36方案三在45°風(fēng)冰工況下的彎曲應(yīng)力圖</p><p&

76、gt;　　表7-4 45°風(fēng)冰工況</p><p>　　8 測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)方案的比較選擇</p><p>　　由MSC-Patran 建立模型，通過(guò)Nastran的計(jì)算分析，可以對(duì)前面所提出的三種方案進(jìn)行比較選擇。這三種方案的不同之處是斜撐運(yùn)用了不同的形式，而不同的形式對(duì)測(cè)風(fēng)塔的、的整體或局部的應(yīng)力以及其穩(wěn)定性都有不同的影響，因此，不同斜撐的選擇對(duì)測(cè)風(fēng)塔的安全性和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)非常重

77、要。</p><p>　　表8-1 在各個(gè)工況下三方案的最大位移</p><p>　　表8-2 在各個(gè)工況下三方案的最大軸向應(yīng)力</p><p>　　表8-3在各個(gè)工況下三方案的最大彎曲應(yīng)力</p><p>　　從以上三張表清晰地可以看出，相同工況時(shí)，方案三的模型的軸向應(yīng)力（0°風(fēng)+波浪工況：80.4Mpa， 0°風(fēng)+冰工

78、況時(shí)：80.4Mpa，45°風(fēng)+波浪工況時(shí)：83.9Mpa，45°風(fēng)+冰工況時(shí)：83.9Mpa），彎曲應(yīng)力（0°風(fēng)+波浪工況：21.1Mpa，0°風(fēng)+冰工況時(shí)：174MP，45°風(fēng)+波浪工況：28.1Mpa，45°風(fēng)+冰工況時(shí)：181Mpa）以及位移（0°風(fēng)+波浪工況：0.68 m，0°風(fēng)+冰工況時(shí)：0.828m，45°風(fēng)+波浪工況時(shí)：0.709m

79、，45°風(fēng)+冰工況時(shí)：0.849m）均是三個(gè)方案中比較小的。雖然從應(yīng)力來(lái)看，三者均滿足強(qiáng)度要求，即三者都是符合方案的安全性，但第三套方案的安全系數(shù)更高一些。</p><p>　　綜上，選擇的第三套測(cè)風(fēng)塔的設(shè)計(jì)方案為為最終的設(shè)計(jì)方案。</p><p><b>　　9 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p><b>　　9.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

80、</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是海上測(cè)風(fēng)塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在老師指導(dǎo)下參照</p><p>　　測(cè)風(fēng)塔CAD平面結(jié)構(gòu)按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范利用有限元 MSC-Patran 建立模型，利用 Nastran計(jì)算風(fēng)電結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，能夠獨(dú)立完成渤海海域四立柱的導(dǎo)管架的海上測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p><b>　　9.2

81、完工情況</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中我使用了有限元軟件MSC-Patran & MSC-Nastran對(duì)風(fēng)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于這個(gè)軟件的界面全部都是英文界面，因此對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，能否夠熟練掌握并運(yùn)用MSC-Patran & MSC-Nastran軟件的各項(xiàng)功能是進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。在大二學(xué)期，我們初步學(xué)習(xí)了MSC-Patran & MSC-Nastran軟件的使用

82、，這畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始前，我又對(duì)MSC-Patran & MSC-Nastran軟件進(jìn)行了深一步的學(xué)習(xí)，掌握了運(yùn)用于海上測(cè)風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)分析的MSC-Patran & MSC-Nastran主要命令，并能在之后的設(shè)計(jì)中能熟練運(yùn)用該軟件進(jìn)行分析，保證了設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。</p><p>　　海上測(cè)風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程本身就是一個(gè)方案預(yù)設(shè)、強(qiáng)度校核、方案比較，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程。在設(shè)計(jì)開(kāi)始，我得到老師給我的設(shè)計(jì)任

83、務(wù)書和設(shè)計(jì)的相關(guān)資料，在老師的指導(dǎo)下我分別確定了三種結(jié)構(gòu)的可行性優(yōu)化方案；之后按照規(guī)范我對(duì)風(fēng)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)載荷、冰載荷、波浪載荷的計(jì)算，并通過(guò)MSC-Patran & MSC-Nastran建立了平臺(tái)的有限元模型并對(duì)各種方案進(jìn)行了整體的靜力分析，通過(guò)分析比較最終確定了優(yōu)化方案。</p><p><b>　　9.3總結(jié)和體會(huì)</b></p><p>　　大學(xué)四年

84、學(xué)的東西基本上是以船舶為主的知識(shí)，但是大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)選的卻是海洋工程，從這方面來(lái)看自己比別人多學(xué)了額外的知識(shí)，接觸了新的東西，開(kāi)闊自己的視野，并且掌握了Patran軟件的入門，相信在以后的工作會(huì)用對(duì)自己有用的方面。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，本人對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)有了更深一步的認(rèn)識(shí)，并學(xué)會(huì)了用有限元軟件MSC-Patran & MSC-Nastran對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,對(duì)MSC-Patran & M

85、SC-Nastran軟件的功能也有了整體的了解并且基本上能夠正確使用；同時(shí)在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我深深地感到MSC-Patran & MSC-Nastran的應(yīng)用廣泛，在設(shè)計(jì)過(guò)程中只用到了其基礎(chǔ)的功能，對(duì)其他一些菜單和命令的功能還是不甚了解，這也激發(fā)了我對(duì)MSC-Patran & MSC-Nastran軟件極大的學(xué)習(xí)熱情。在大學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，是我們步入社會(huì)參與實(shí)際工程建設(shè)的一次極好的演示。<

86、/p><p>　　在這次設(shè)計(jì)中，我大量使用OFFICE系列軟件中的EXCEL制作表格進(jìn)行計(jì)算，節(jié)省大量人力，并且保證了計(jì)算的準(zhǔn)確度，而且做出來(lái)的表格美觀實(shí)用，保證了后期對(duì)計(jì)算書排版工作的順利開(kāi)展。</p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]</b></p><p>　　[1] 李治彬．海洋工程結(jié)構(gòu)[D]．哈爾濱工程大學(xué)出版社，2002:2-83 &l

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93、ew frame work conditions[J].Reliability Engineering and System</p><p>　　Safety,1998，60:143-151.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在張教授和很多同學(xué)的幫助和指導(dǎo)下順利完成。這次設(shè)計(jì)讓我接觸道了以前沒(méi)學(xué)過(guò)的東