本文選題：近海風(fēng)電 + 流固耦合��； 參考：《西北農(nóng)林科技大學(xué)》2013年碩士論文

【摘要】：能源問題一直以來都是受人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源受到世界大多國家的親睞，而近些年近海風(fēng)能的開發(fā)利用又開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新階段。未來海上風(fēng)電工程有向更深的水域發(fā)展的趨勢，隨之風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的體積以及重量也不斷加大。從而對于風(fēng)機(jī)塔架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求，故對于海上風(fēng)電塔架支撐結(jié)構(gòu)的研究很有必要。近海風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)體系位于沿海灘涂地帶，其地基土由上覆淤泥層以及下面的砂層構(gòu)成，而此類地基與上部整體結(jié)構(gòu)于符合相應(yīng)場地類別的地震動作用下的動力響應(yīng)也是設(shè)計(jì)師所關(guān)注的問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)為高聳結(jié)構(gòu)，，且為保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，對結(jié)構(gòu)體系的水平變位有很高的要求，而風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在水平隨機(jī)荷載作用下的振動特性與結(jié)構(gòu)體系的水平變位有很大的關(guān)系，則研究水平隨機(jī)荷載作用下的風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)很有價(jià)值。 本文以江蘇響水海上風(fēng)電場項(xiàng)目為依托，通過數(shù)值分析的方法，利用現(xiàn)行通用有限元軟件ADINA對該項(xiàng)目海況條件下的單樁以及四腳樁建立三維模型，進(jìn)行流固耦合條件下的動力特性分析,并于結(jié)構(gòu)輸入符合場地條件的地震動加速度時(shí)程，探討水-結(jié)構(gòu)動力相互作用即流固耦合條件下的動力響應(yīng)（FSDI）。并結(jié)合結(jié)果分析的薄弱環(huán)節(jié)給出一些設(shè)計(jì)建議，初步取得以下一些成果。 1、建立實(shí)際資料單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)無水層以及考慮水為勢流體的兩種工況之三維有限元模型，分別進(jìn)行模態(tài)頻率分析，得出水層存在對風(fēng)電單樁基礎(chǔ)以及四樁自振特性的影響規(guī)律為：水層的存在整體上將使結(jié)構(gòu)體系的周期變長，自振頻率減小，且水層存在對結(jié)構(gòu)體系的高階頻率降低的幅度較大，低階頻率降低幅度不大。 2、論文將四樁與單樁基礎(chǔ)自振頻率做比較，得出樁型對風(fēng)電單樁基礎(chǔ)自振特性的影響規(guī)律為：無水情況，單樁與四樁之前兩階自振頻率接近，三階頻率以后，單樁之各階頻率要高于四樁之頻率；有水情況，四樁之前兩階頻率要高于單樁，三階頻率以后，四樁各階自振頻率要要低于單樁。四樁基礎(chǔ)的自振特性對水層存在的敏感性要低于單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系。 3、論文對近海灘涂地帶無水風(fēng)電單樁支撐體系進(jìn)行地震響應(yīng)分析，在多遇地震動輸入作用下，得出結(jié)論為：結(jié)構(gòu)淤泥層以上部分樁體以及塔筒的水平位移較大，且從下到上呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，水平位移極值發(fā)生在風(fēng)機(jī)塔筒頂部機(jī)艙部位。建議設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體剛度，以減小其在隨機(jī)水平荷載作用下的水平變位。豎向沉降主要關(guān)注上覆淤泥層，得出沉降規(guī)律為：上覆淤泥層的豎向沉降主要集中在樁周淤泥部分。建議設(shè)計(jì)時(shí)對樁周部分一定范圍內(nèi)的淤泥層有一定的防止振動液化的處理措施。有效應(yīng)力極值發(fā)生在風(fēng)機(jī)塔筒上部外表面，設(shè)計(jì)時(shí)要特別關(guān)注塔筒上部材料強(qiáng)度問題。 4、論文對近海淺水風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)體系，基于流固耦合條件的多遇地震動輸入下的地震響應(yīng)分析認(rèn)為：考慮水-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用（FSDI）是必要的，有水層風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)樁身以及風(fēng)機(jī)塔筒豎向位移較小，滿足使用要求。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系自淤泥層以上部位水平x向的位移自下到上逐漸增大，位移形態(tài)為彎曲形。自底向上，樁體插入地基最下面砂層部分位移較小，有反向的即沿x軸正向的鼓脹水平位移，插入淤泥層的樁體部分之水平位移為逐漸增加的。上覆淤泥層的沉降量主要發(fā)生在樁周淤泥部分。設(shè)計(jì)此類結(jié)構(gòu)時(shí)，在樁周局部采取防止液化的地基處理措施是必要的。水層的波動較大，且在振動過程中，水層的豎向位移自外向內(nèi)逐漸傳遞，地震動引起的波浪幅值從外圍邊界逐漸傳遞到內(nèi)層樁周部分。而且位移到后期已經(jīng)達(dá)到3.8m，此種地震動引起的水流波動效應(yīng)對樁基結(jié)構(gòu)的作用不可忽視。有效應(yīng)力極值為306MPa，小于鋼材之屈服強(qiáng)度345MPa，結(jié)構(gòu)體系所用之鋼材均未發(fā)生屈服。 5、與無水近海風(fēng)電單樁基礎(chǔ)之淤泥層與樁體的極值加速度時(shí)程做比較分析，得出考慮基于流固耦合的水層的存在對對上述兩項(xiàng)加速度極值響應(yīng)的影響規(guī)律，一般規(guī)律如下：水層的存在使得淤泥層的加速度峰值大幅減小，加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前，加速度幅值的卓越值分布時(shí)間大幅提前。水層的存在使得樁體部分極值加速度峰值的幅值減小、單樁樁身的加速度反應(yīng)幅值的峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對無水模型大幅提前、單樁體系樁體的加速度響應(yīng)幅值的卓越值時(shí)段提前。
[Abstract]:The energy problem has always been the focus of the people ' s attention , and the wind energy as a renewable clean energy is favored by most countries in the world . In recent years , the development and utilization of offshore wind energy has opened up a new stage for the utilization of wind energy .

In this paper , based on the wind farm project in Jiangsu Province , a three - dimensional model of single pile and four - pin pile under the condition of current - solid coupling is established by using the current general finite element software ADINA , and the dynamic response ( FSDI ) of water - structure dynamic interaction , i.e . , the fluid - solid coupling condition , is discussed .

1 . A three - dimensional finite element model of the whole structure of offshore wind turbine with single pile foundation and two working conditions taking account of water as potential fluid is established , and the modal frequency analysis is carried out to obtain the influence of the existence of the water layer on the pile foundation and the self - vibration characteristics of four piles .

2 . The influence of pile type on the self - vibration characteristics of single pile foundation is obtained by comparing four piles with the frequency of single pile foundation . The frequency of single pile is higher than that of four piles before the third order frequency .
In the case of water , the frequency of the fourth pile before the fourth pile is higher than that of the single pile and the third order frequency . The self - vibration frequency of the four piles is lower than that of the single pile . The sensitivity of the self - vibration characteristic of the four pile foundation to the water layer is lower than that of the single pile foundation structure .

3 . In this paper , the seismic response analysis is carried out on the support system of the water - free wind power single pile in the beach area of the coastal area . The conclusion is that the horizontal displacement of the pile body and the tower barrel above the structural mud layer is large , and the horizontal displacement extreme value takes place at the top cabin part of the fan tower . The vertical settlement is mainly focused on the silt part of the pile . It is suggested that the settlement rule is that the vertical settlement of the overlying sludge layer is mainly concentrated in the soil part of the pile periphery . The effective stress extreme value occurs on the outer surface of the upper part of the tower cylinder of the fan . In the design , the strength of the upper material of the tower can be particularly concerned .

4 . In this paper , the structure system of shallow water fan in recent sea is analyzed . The seismic response analysis under the input of multi - condition ground motion based on the flow - solid coupling condition is that the vertical displacement of the pile body and the fan tower is small , and the displacement form is curved . In the course of vibration , the vertical displacement of the water layer is gradually increased from the outer boundary to the inner pile peripheral part .

5 . Compared with the time history of the extreme acceleration of the pile foundation of the non - water offshore wind power single pile foundation , the influence law of the existence of the water layer based on the flow - solid coupling is taken into consideration . The general rule is as follows : the existence of the water layer causes the acceleration peak of the sludge layer to be greatly reduced , the time of the acceleration peak appears , and the value distribution time of the acceleration amplitude value is greatly advanced . The existence of the water layer causes the amplitude of the peak value of the extreme acceleration of the pile body to be reduced , and the time of the peak of the acceleration response amplitude of the single pile body is greatly advanced relative to the anhydrous model , and the value of the acceleration response amplitude of the single pile system pile body is advanced .

【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU476.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1758268