海上風電機組整體桁架式支撐結(jié)構(gòu)動力特性與疲勞研究.pdf

1、進入二十一世紀以來，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，風能、太陽能等可再生能源已在世界范圍內(nèi)受到重視，尤其是近海風能就更是許多發(fā)達國家開發(fā)的重點。
　　 海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風力發(fā)電技術(shù)成為近年來研究和應(yīng)用的熱點。發(fā)電成本是海上風電發(fā)展的瓶頸.研究表明，按照目前的技術(shù)水平和20年設(shè)計壽命計算，海上風電的發(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)。目前，海上風電場的總投資中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占15～25％，而陸上風電場僅為5～10％。因此，發(fā)展低成本的海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低海上風電成本的一個主要途徑。
　　 本文的研究工作包括如下幾個方面：
　　 (1)在研究各種海上風電支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種整體桁架式海上風電支撐結(jié)構(gòu)。采用了風機與支撐結(jié)構(gòu)整體計算的方法求得系統(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，進行模態(tài)分析。得出固有頻率值，以確定結(jié)構(gòu)不會與風機的工作頻率耦合發(fā)生共振。同時與當前海上風電場流行的支撐結(jié)構(gòu)單柱式支撐結(jié)構(gòu)進行比較。
　　 (2)采用風機運轉(zhuǎn)載荷與環(huán)境載荷聯(lián)合的方法對支撐結(jié)構(gòu)進行強度分析。在此基礎(chǔ)上研究了風機載荷、風、海浪、流和冰單獨作用的情況下對整體桁架式與單柱式支撐結(jié)構(gòu)不同動力作用，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、的動力分析，得出關(guān)鍵部位單元的位移和等效應(yīng)力時程曲線。
　　 (3)利用Miner線性累積疲勞損傷算法以及雨流計數(shù)法理論，通過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(不包括風機載荷)小，材料、制造和安裝成本低的特點，而且還符合我國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具和裝備進行海上安裝。<