本文關(guān)鍵詞：浮式海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析與疲勞損傷研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：風(fēng)能是一種清潔、安全、永續(xù)的可再生能源。深海所蘊(yùn)藏風(fēng)能更加豐富和優(yōu)質(zhì)。但隨著海域的加深,海洋環(huán)境也變得更加復(fù)雜與惡劣。同時結(jié)構(gòu)長期受到疲勞載荷的循環(huán)作用,極易產(chǎn)生疲勞損傷。因此,研究浮式海上風(fēng)機(jī)(FOWT)在主要環(huán)境荷載作用下的動力特性與疲勞損傷對風(fēng)機(jī)在服役期內(nèi)的安全與使用有著非常重要的意義。本文選取美國可再生能源研究所(NREL)公布的‘'5 MW baseline"風(fēng)機(jī)模型為設(shè)計(jì)依據(jù),選取典型的浮式海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究。首先建立了結(jié)構(gòu)有限元模型,然后基于空氣動力學(xué)理論計(jì)算風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載,并結(jié)合長期統(tǒng)計(jì)得到的南海環(huán)境條件資料,對海上浮式風(fēng)機(jī)長期應(yīng)力響應(yīng)分布規(guī)律和累積疲勞損傷機(jī)理下的疲勞壽命進(jìn)行研究,以期為我國深海風(fēng)能資源開發(fā)工程中的浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。本論文具體開展以下工作：(1)選取三種較為典型的浮式海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)(Semi-submersible、Spar、 TLP),在同等輸入條件下,計(jì)算了三種結(jié)構(gòu)的頻域水動力特性、時域耦合動力響應(yīng)以及系泊纜繩的張力；進(jìn)行了結(jié)構(gòu)對波高、風(fēng)速的敏感性分析,初步得到了三種浮式海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)運(yùn)動響應(yīng)隨海洋環(huán)境的變化規(guī)律。(2)以美國NREL研發(fā)的用于驗(yàn)證海上浮式風(fēng)力渦輪機(jī)的模型OC4-DeepCwind半潛式浮式海上風(fēng)機(jī)為母型結(jié)構(gòu),進(jìn)行了詳細(xì)的水動力響應(yīng)分析與風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下整體結(jié)構(gòu)的時域動力響應(yīng)分析,得到了不同結(jié)構(gòu)參數(shù),如立柱間距、立柱直徑、結(jié)構(gòu)吃水以及壓水板對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響,為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。(3)浮式海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)屬于典型的疲勞構(gòu)件,極易產(chǎn)生疲勞損傷。為確保浮式海上風(fēng)機(jī)在服役期內(nèi)的安全運(yùn)行,結(jié)構(gòu)疲勞壽命的準(zhǔn)確估計(jì)是非常重要的。本論文首先分別進(jìn)行了風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載與波浪荷載單獨(dú)作用下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析；然后分析計(jì)算風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載與波浪荷載共同作用下,結(jié)構(gòu)疲勞損傷規(guī)律；將該結(jié)果與荷載單獨(dú)作用線性疊加結(jié)果進(jìn)行比較,分析了荷載耦合效應(yīng)對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響程度和規(guī)律,為準(zhǔn)確評估浮式海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提供參考。
【關(guān)鍵詞】：浮式海上風(fēng)機(jī) 水動力 時域耦合分析 疲勞損傷
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-27
• 1.1 研究背景及意義12-14
• 1.2 國內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢14-17
• 1.3 國內(nèi)外海上風(fēng)電研究現(xiàn)狀17-24
• 1.3.1 浮式風(fēng)機(jī)主要環(huán)境荷載的計(jì)算17-18
• 1.3.2 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式18-21
• 1.3.3 海上風(fēng)機(jī)空氣動力特性與整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析21-23
• 1.3.4 結(jié)構(gòu)疲勞損傷研究與壽命評估23-24
• 1.4 本文研究內(nèi)容24-27
• 2 海洋環(huán)境載荷的計(jì)算理論27-37
• 2.1 風(fēng)荷載的計(jì)算27-28
• 2.2 空氣動力載荷的計(jì)算28-30
• 2.2.1 葉素-動量理論28-29
• 2.2.2 FAST系列分析軟件概述29-30
• 2.3 波浪載荷的計(jì)算30-35
• 2.3.1 波浪理論的適用范圍30-35
• 2.3.2 Morison公式35
• 2.4 海流載荷的計(jì)算35-36
• 2.4.1 海流特性35-36
• 2.4.2 海流載荷36
• 2.5 本章小結(jié)36-37
• 3 典型浮式海上風(fēng)機(jī)動力性能的對比分析37-55
• 3.1 三種典型浮式風(fēng)機(jī)模型的建立37-43
• 3.1.1 Semi浮式風(fēng)機(jī)37-39
• 3.1.2 Spar浮式風(fēng)機(jī)39-41
• 3.1.3 TLP浮式風(fēng)機(jī)41-43
• 3.1.4 5MW風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)43
• 3.2 荷載組合工況43-45
• 3.3 頻域內(nèi)水動力分析45-46
• 3.4 時域內(nèi)耦合運(yùn)動響應(yīng)分析46-51
• 3.4.1 作業(yè)工況46-49
• 3.4.2 生存工況49-51
• 3.5 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)對于波高和風(fēng)速的敏感性分析51-53
• 3.5.1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)對于波高的敏感性分析51-52
• 3.5.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)對于風(fēng)速的敏感性分析52-53
• 3.6 本章小結(jié)53-55
• 4 環(huán)境荷載作用下浮式海上風(fēng)機(jī)Semi結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究55-65
• 4.1 荷載工況55
• 4.2 頻域內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析55-59
• 4.2.1 立柱間距的影響分析55-56
• 4.2.2 立柱直徑的影響分析56-57
• 4.2.3 結(jié)構(gòu)吃水的影響分析57-58
• 4.2.4 壓水板的影響分析58-59
• 4.3 時域內(nèi)運(yùn)動響應(yīng)的敏感性分析59-64
• 4.3.1 立柱間距的影響分析59-60
• 4.3.2 立柱直徑的影響分析60-61
• 4.3.3 結(jié)構(gòu)吃水的影響分析61-62
• 4.3.4 壓水板的影響分析62-64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 5 浮式海上風(fēng)機(jī)Semi結(jié)構(gòu)系泊系統(tǒng)疲勞壽命研究65-82
• 5.1 海洋結(jié)構(gòu)的疲勞分析理論65-68
• 5.1.1 T-N曲線理論66-67
• 5.1.2 累積損傷理論67-68
• 5.2 海洋結(jié)構(gòu)疲勞壽命的評估方法68-75
• 5.2.1 頻域疲勞分析法68-69
• 5.2.2 時域疲勞分析法69-75
• 5.3 結(jié)構(gòu)和環(huán)境參數(shù)75-76
• 5.3.1 系泊模型75
• 5.3.2 環(huán)境參數(shù)75-76
• 5.4 單一荷載作用下基礎(chǔ)系纜的疲勞分析76-80
• 5.4.1 風(fēng)機(jī)荷載單獨(dú)作用下系纜的疲勞壽命分析76-77
• 5.4.2 波浪荷載單獨(dú)作用下系纜的疲勞壽命分析77-78
• 5.4.3 風(fēng)機(jī)荷載與波浪荷載產(chǎn)生的疲勞損傷對比分析78-80
• 5.5 荷載耦合作用下基礎(chǔ)系纜的疲勞分析80-81
• 5.6 本章小結(jié)81-82
• 6 總結(jié)與展望82-85
• 6.1 總結(jié)82-83
• 6.2 展望83-85
• 參考文獻(xiàn)85-89
• 致謝89-90
• 個人簡歷90
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文90

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