张力腿式（TLP）海上风电支撑结构在环境荷载下的动力特性及稳定分析

【摘要】：风能是空气流动所产生的动能，是清洁无污染的可再生能源。对风能的开发和利用，可以有效改善能源结构，提高环境质量。海上风力发电具有陆上发电无可比拟的优势。 海上风电支撑结构作为风力发电机组装置的竖向支撑，关系到整个发电装置的安全运行。海上风力发电支撑体系处在复杂的海洋环境下，如何使其在多种环境荷载的作用能够安全有效地运行，是建设海上风电场亟需解决的问题。本文研究的TLP浮式风力发电机组，可应用于深海区域，在运行中会受到风、波浪、海流及其他荷载的作用。在动力荷载下，结构将产生明显的动力反应。此时结构的动力分析、动力稳定将尤为重要。本文对浮式风力发电机的支撑体系的研究，通过理论分析和有限元模拟主要对以下问题进行了系统分析： （1）基于有限元分析理论，建立TLP海上风电机支撑结构有限元模型，对未加钢缆及加设钢缆模型进行模态对比分析，并结合上部风机参数进行共振分析。建模时考虑本文主要针对支撑部分进行研究，故将上部风机叶片和轮毂等效为质量点与塔架顶部进行耦合处理。 （2）考虑了风、波浪及海流荷载作用下，TLP支撑结构的动力特性。 （3）分析了TLP浮式风电支撑结构动力失稳的各种因素，采用瞬态分析法对TLP海上支撑结构在风荷载作用下的动力响应进行研究，得到支撑结构关键部位的位移响应时程。 （4）利用PSD分析法对波浪荷载作用下的结构进行谱分析，提取部分节点的频域响应图。针对较为平稳的海流荷载，通过拟静力分析法对结构在该荷载作用下的结构响应进行比较。 论文采用理论分析和有限元方法对张力腿式(TLP)支撑结构在环境荷载下的动力特性问题进行研究，并通过Heines-Strett经典稳定区域对钢缆在波浪荷载下的稳定性进行分析，为海上风力发电浮式结构的进一步研究提供参考。 【关键词】：TLP海上风机 有限元 动力特性 稳定分析
【学位授予单位】：烟台大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU311.3;TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-6
• 目录6-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.3 论文主要研究内容13-14
• 2 TLP 支撑结构有限元建模14-28
• 2.1 引言14
• 2.2 TLP 支撑结构选择14-21
• 2.2.1 支撑结构的定义14-15
• 2.2.2 支撑结构的分类15-18
• 2.2.3 TLP 支撑结构18-21
• 2.3 TLP 支撑结构有限元模型21-27
• 2.3.1 有限元法基本思路21
• 2.3.2 相关单元特性21-24
• 2.3.3 有限元模型24-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 环境荷载模型及处理方法28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 风荷载28-31
• 3.2.1 基本理论28-29
• 3.2.2 风荷载计算29-31
• 3.3 波浪荷载31-36
• 3.3.1 基本理论31-32
• 3.3.2 线性波理论32-33
• 3.3.3 有限振幅波理论33-34
• 3.3.4 波浪荷载计算34-36
• 3.4 海流荷载36-38
• 3.4.1 基本理论36-37
• 3.4.2 海流荷载计算37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 4 TLP 支撑结构的动力响应分析39-61
• 4.1 引言39
• 4.2 基于 ANSYS 的动力分析基本理论39-42
• 4.2.1 动力学基本方程39-41
• 4.2.2 动荷载41
• 4.2.3 阻尼41-42
• 4.3 模态分析42-50
• 4.3.1 基本理论42-43
• 4.3.2 TLP 支撑结构的模态分析43-49
• 4.3.3 TLP 支撑结构的共振分析49-50
• 4.4 风荷载下的动力响应分析50-54
• 4.4.1 瞬态动力分析50-51
• 4.4.2 随机风荷载作用下的结构响应51-54
• 4.5 波浪荷载下的动力响应分析54-59
• 4.5.1 谱分析法54-56
• 4.5.2 波浪荷载作用下的结构响应56-59
• 4.6 海流荷载下的结构响应分析59
• 4.7 本章小结59-61
• 5 TLP 支撑结构的动力稳定分析61-70
• 5.1 引言61
• 5.2 动力稳定理论61-64
• 5.2.1 动力失稳61-63
• 5.2.2 经典判定准则63-64
• 5.3 基于波浪荷载的动力稳定性分析64-69
• 5.4 本章小结69-70
• 6 结语70-72
• 参考文献72-75
• 致谢75-76
• 附录 1 攻读学位期间发表的论文目录76-77

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