一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，包括以下步骤：步骤一，选取三种风机基础易失效或破坏的特征工况和对应的波形；步骤二，确定三种特征工况下的波长、波浪周期和波高；步骤三，确定风机基础的四根立柱上所受到的重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；步骤四，建立风机基础的梁系结构模型；步骤五，对梁系结构模型开展有限元离散，形成一维网格的有限元模型；步骤六，在每根位于下部的撑杆上的每个网格节点上各施加一个垂直向弹簧约束和一个横向弹簧约束；步骤七，在有限元模型中施加重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；步骤八，静力学分析确定撑杆结构强度。本发明专利技术能显著提高计算效率。能显著提高计算效率。能显著提高计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法


[0001]本专利技术涉及一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法。

技术介绍

[0002]漂浮式风电与固定式风电是对应的，其定义和区分取决于风机的基础结构是固定式结构还是浮式结构。从海洋石油的经验来看，由于水深增加导致的固定式基础在海床处的荷载增大等原因，固定式基础的投资成本一般随着水深的增加呈指数增长。当水深超过一定深度之后，固定式风机的投资收益就会变得较差。根据海上石油的相关经验，会出现一个临界水深，当超过这个水深之后，漂浮式风电的投资收益会高于固定式风电的投资收益。漂浮式风电研究的意义就是为了降低漂浮式风电的投资成本，以实现对深远海域海上风能的利用。
[0003]目前主流的三种漂浮式风机基础型式是半潜式、TLP式(张力腿式)和SPAR 式(单柱式)。其中，应用广泛、技术成熟的半潜式漂浮式风机基础是更加适合现阶段海上风电发展的基础形式。半潜式漂浮式风机基础一般拥有多个立柱及其连接结构，现阶段立柱多采用钢制圆筒，而连接结构多采用加筋板材、圆管和方管等结构，本专利技术的撑杆即为立柱间的连接结构。为保证基础的耐波性，往往立柱间距较大，撑杆受到的载荷较大，因此漂浮式风机基础对撑杆的强度有较高要求。
[0004]目前，海洋工程行业内针对海洋平台的结构强度的计算方法已经较为成熟，通常采用设计波法对海洋平台的总强度进行分析。该方法首先根据平台的主尺度设计波浪参数，通过势流理论计算平台所受的波浪载荷，将波浪载荷映射于有限元模型中开展总强度分析。此方法也可运用于三立柱半潜漂浮式风机基础撑杆的结构强度计算，但该方法需要运用势流理论计算波浪载荷并把载荷映射于有限元模型中，对模型的完整度要求较高，不适用于结构模糊的概念设计阶段，并且该方法较为复杂，步骤繁琐较为耗时。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，它能显著提高计算效率，从而能快速初步确定撑杆结构的尺寸。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一，特征工况选取，即选取三种风机基础易失效或破坏的特征工况和对应的波形；
[0008]步骤二，波浪参数确定，根据三种特征工况的波形确定三种特征工况下的波长，并根据波浪理论公式确定三种特征工况下的波浪周期和波高；
[0009]步骤三，载荷确定，即确定风机基础的四根立柱上所受到的重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；
[0010]步骤四，结构模型建立，即在ANSYS Design Modeler模块中建立风机基础的梁系
结构模型；
[0011]步骤五，模型有限元离散，在ANSYS Static Structural模块中对梁系结构模型开展有限元离散，形成一维网格的有限元模型；
[0012]步骤六，弱弹簧边界条件施加，在ANSYS Static Structural模块中开展，即在每根位于下部的撑杆上的每个网格节点上各施加一个垂直向弹簧约束和一个横向弹簧约束；
[0013]步骤七，载荷施加，在有限元模型中施加重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；
[0014]步骤八，静力学分析确定撑杆结构强度，在ANSYS Static Structural模块中开展静力学分析，得到三种特征工况下撑杆的范式应力，再将撑杆材料的屈服强度与撑杆的范式应力进行对比，判断撑杆的结构强度是否足够。
[0015]上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤一时，选取的第一种特征工况为横向分离力最大工况，选取的第二种特征工况为扭矩最大工况，选取的第三种特征工况为分离力
‑
扭矩组合工况。
[0016]上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤二时，包括：
[0017]A.波长确定，即根据三种特征工况时的波形一一对应地确定三种特征工况下的波长L与立柱的间距B之间的关系：
[0018][0019]式(1)中，L1为第一种特征工况下的波长；L2为第二种特征工况下的波长；L3为第三种特征工况下的波长；B为立柱的间距；
[0020]B.波浪周期确定，根据线性波浪理论得到波浪周期T公式：
[0021][0022]式(2)中，L为波长；k为波数，d为水深；
[0023]C.波高确定，根据海工行业内推荐的线性波波高公式(3)计算波高H：
[0024][0025]式(3)中，T为波浪周期；H
100
为百年一遇的波高。
[0026]上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤三时，包括：
[0027]A.重力载荷确定，按风机基础的实际重量确定总重力载荷，等分后施加于立柱上；
[0028]B.浮力载荷确定，根据立柱的实际吃水确定浮力；
[0029]C.波浪载荷确定；采用莫里森方程计算波浪载荷，如下：
[0030][0031]式(4)中，F
N
为波浪载荷；ρ为海水密度；C
A
为附加质量系数，立柱为圆柱形时C
A
＝1；C
D
为拖曳系数，立柱为圆柱形时C
D
＝1；A为立柱的横截面的面积；D为立柱的直径；a为水质点的水平运动加速度；v为水质点的水平运动速度；
[0032]根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动速度v：
[0033][0034]根据线性波浪理论得到波浪中水质点的水平运动加速度a：
[0035][0036]点的深度；x为波浪的传播方向；ω为波浪的圆频率；t为时间。
[0037]上述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其中，进行步骤七时，包括：
[0038]A.重力载荷施加，重力竖直向下，重力载荷以均布载荷的形式施加于立柱整体上；
[0039]B.浮力载荷施加，浮力竖直向上，浮力载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心；
[0040]C.波浪载荷施加，波浪载荷的方向由三种特征工况的波形决定，波浪载荷以点载荷的形式施加于立柱的吃水部分的形心。
[0041]本专利技术的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法具有以下特点：
[0042]对模型的完整度要求不高，最大可能地优化和简化了计算步骤和模型，能显著提高计算效率，从而能快速初步确定撑杆结构的尺寸，非常适用于结构模糊的概念设计阶段的撑杆强度计算。
附图说明
[0043]图1为本专利技术涉及的四立柱漂浮式风机基础的结构示意图；
[0044]图2为本专利技术的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法的流程图；
[0045]图3a为本专利技术的步骤一选取的第一种特征工况下风机基础所受波浪力的示意图；
[0046]图3b为本专利技术的步骤一选取的第一种特征工况下的波形示意图；
[0047]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：步骤一，特征工况选取，即选取三种风机基础易失效或破坏的特征工况和对应的波形；步骤二，波浪参数确定，根据三种特征工况的波形确定三种特征工况下的波长，并根据波浪理论公式确定三种特征工况下的波浪周期和波高；步骤三，载荷确定，即确定风机基础的四根立柱上所受到的重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；步骤四，结构模型建立，即在ANSYSDesign Modeler模块中建立风机基础的梁系结构模型；步骤五，模型有限元离散，在ANSYS Static Structural模块中对梁系结构模型开展有限元离散，形成一维网格的有限元模型；步骤六，弱弹簧边界条件施加，在ANSYS Static Structural模块中开展，即在每根位于下部的撑杆上的每个网格节点上各施加一个垂直向弹簧约束和一个横向弹簧约束；步骤七，载荷施加，在有限元模型中施加重力载荷、浮力载荷和波浪载荷；步骤八，静力学分析确定撑杆结构强度，在ANSYS Static Structural模块中开展静力学分析，得到三种特征工况下撑杆的范式应力，再将撑杆材料的屈服强度与撑杆的范式应力进行对比，判断撑杆的结构强度是否足够。2.根据权利要求1所述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，进行步骤一时，选取的第一种特征工况为横向分离力最大工况，选取的第二种特征工况为扭矩最大工况，选取的第三种特征工况为分离力
‑
扭矩组合工况。3.根据权利要求1所述的四立柱漂浮式风机基础撑杆结构强度的计算方法，其特征在于，进行步骤二时，包括：A.波长确定，即根据三种特征工况时的波形一一对应地确定三种特征工况下的波长L与立柱的间距B之间的关系：式(1)中，L1为第一种特征工况下的波长；L2为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜宇，李飞鹏，
申请(专利权)人：中交第三航务工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：