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海上风机结构设计及整体强度分析

发布于:2016-01-28 18:33
强度分析

      目前对于浮式风电基础结构设计和强度分析等方面做的研究还较少。一部分学者设计了一种多柱TLP式SMW风电浮式基础,进行了水动力载荷计算及运动分析。还有一些学者采用SESAM软件计算了三浮桶式海上风电浮式基础,得到了波浪载荷与运动响应。另外设计了垂直轴发电机的浮式基础。
      Dominique等人参考SMW风机设计Wind Float浮式基础,采用势流理论计算水动力性能,用于校核结构强度。学者设计了东海大桥风电场的单桩基础和三脚架基础,分析了两种基础的承载力。以下强度分析以SMW风机为例,探讨了海上风电浮式基础的结构设计、模型建立及整体强度计算方法,并进行实例计算分析。
      设计的半潜型浮式基础结构由带压水板的三立柱半潜型平台和对称式系泊系统组成,风机塔柱延伸到甲板下,依照DNV规范中柱稳式平台规定和方法进行立柱的设计,外部圆柱壳体由均匀间隔的环形梁与垂直布置的加强筋予以加强。立柱底部压水板由钢板和骨材构成。压水板板厚和骨材尺寸参考海洋平台规范设计。浮式基础骨材布置如图所示,参考坐标系的选取如图所示,坐标原点0位于海平面等边三角形的中心,x,y轴的正向,z轴正向垂直水面向上,且与塔架中心轴重合。浮式基础结构材料选用高强度钢,屈服极限为355MPa。浮式基础的主要技术参数列表,浮式风力机系统的主要参数如表所示。
      风机系统的整体选取三个节点,在这些节点上施加约束,排除刚体位移f。节点位置取在浮式基础压水板的下表面,在节点1处,UX=UY=UZ=0,在节点2处,UZ=0,在节点3处,UY=0。
      风电浮式基础承受的载荷主要有工作载荷与环境载荷。1)工作载荷工作载荷包括基础自身的重力载荷和可变载荷,由软件计算并自动施加到结构上。2)环境载荷①风载荷风载荷F和风倾力矩M按照《海上移动平台入级与建造规范》计算。极限海况时风叶停转,风载荷的计算公式,F为极限风载荷,单位N,M为极限风倾力矩,单位Nm,CDi为风轮的风阻力系数,CDz为塔架的风阻力系数,P为空气密度,单位kg/m3,Vmax为极限风速,单位m/s,A为风轮的迎风面积,单位m2,H为轮毅高度,单位m,fh为高度h处的塔架截面直径,单位m。②空气动力载荷风机在运转时的空气动力载荷根据叶素理论的变螺距桨载荷计算方法计算,计算得到不同轮毅处风速的风推力如图所示。③波浪载荷及海流载荷水下斜撑和水平撑等小尺度构件根据莫里森公式计算。对于立柱和压水板,应用势流理论并考虑波浪的绕射,计算波浪载荷。


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