基于FAST软件的海上风机风浪耦合结构动力反应分析

为了确定海上风机在环境载荷作用下的结构耦合动力反应,运用挪威可再生能源实验室的开源风机仿真软件FAST建立海上风机整体耦合分析模型,并分别计算风单独作用、浪单独作用以及风浪耦合作用下的海上风机结构动力反应,同时展开风浪载荷对结构的耦合作用的研究。结果表明,环境荷载对风机荷载、基础结构内力存在着明显的耦合作用,该耦合作用对于结构动力反应时程的幅值和均值影响较大。     

海上风机整体结构动力特性分析

提出一种简化处理桩-土相互作用的方法,并基于此针对现有的5 MW海装风机结构,建立用于研究的WT 5MW海上风机结构,模拟风机上部结构包括机舱、叶片、轮毂等组件,确定风机基础结构的设计工况和相关水文参数,采用FAST软件开展风机荷载计算,并利用SACS建立WT 5 MW整体结构有限元模型,开展多年平均水位下的WT 5 MW风机结构动力特性分析。结果表明,WT 5 MW风机结构的基频为0.321Hz,处于允许频率范围内,与NREL 5MW基频基本一致,可印证桩-土相互作用简化处理方法的有效性。     

风机功率对半潜式风机运动性能的影响

针对DTU 10 MW风机,设计一款新型无横撑半潜式风机基础,并通过调节基础压载使其分别搭载DTU 10 MW和NREL 5 MW两款风机。在此基础上,采用商业软件SESAM/SIMA分别建立气动-水动-伺服-弹性全耦合数值模型。针对正常作业和极端两种典型工况,对上述2款浮式风机系统的运动响应进行时域全耦合计算。根据计算结果开展不同风机功率对浮式风机系统整体运动性能的敏感性分析。研究表明：在正常作业工况下,由于风激励的影响,10 MW风机的运动响应比5 MW风机更大;在极端工况下5 MW风机纵摇固有周期更接近波浪周期,导致其纵摇运动比10 MW风机更大。     

海上风机基础结构力学分析

结合我国第一个海上风力发电示范项目,利用ABAQUS有限元软件分析了海上风机的基础结构与风机塔架的整体动力特征和风机基础在不同动力荷载作用下的耦合特征,给出各种荷载,如风荷载、风机运行荷载、冰荷载、波浪荷载等,并研究了各种荷载对风机基础结构强度的影响规律.以期为海上风机基础的设计提供参考.     

固定式海洋平台火炬臂结构拖航疲劳分析

为解决传统火炬臂不适用于海上整体拖航工况的问题,针对导管架固定式平台上部火炬臂结构,建立火炬臂整体拖航疲劳分析方法,设计一种适用于海上整体拖航的新型火炬臂连接形式。采用SACS软件建立平台上部组块带火炬臂整体有限元模型,分别对传统火炬臂结构和新型火炬臂结构进行整体拖航工况下的疲劳计算。提出最大疲劳损伤占比指标,从拖航疲劳损伤程度和最大疲劳损伤节点数目两个角度对新型火炬臂进行局部结构优化。结果表明:新型火炬臂斜撑的增设可有效改善火炬臂主弦杆的受力且大幅提高火炬臂的整体刚度,使原拖航疲劳损伤不满足规范要求的构件满足要求,为火炬臂海上整体拖航提供可行的技术和方案。     

基于气动-水动-结构耦合模型的半潜风机动力响应分析

针对我国海洋环境条件,提出一种新型半潜式浮式基础,用于支撑5 MW海上风机。针对该新型浮式风机系统,采用叶素动量理论计算风轮所受气动载荷,采用三维势流理论计算基础水动力性能,分别采用杆单元和梁单元模型,基于有限元方法计算柔性体的动力响应。建立气动-水动-结构耦合的动力学分析模型,针对切入、额定和切出海况,在时域内计算风机的动力响应特性。计算结果表明：在不同作业海况下,新型半潜浮式风机基础运动性能良好,且系泊缆张力满足安全要求;风机叶片在风轮旋转平面外的变形显著大于风轮平面内的变形,且在额定海况下变形更大。     

波流耦合作用海上张力腿风机运动响应研究

以TLP海上风机为研究对象,结合黄海海域环境条件对张力腿风机基础的水动力响应进行模拟分析。在计算过程中,风荷载分为作用在塔柱上的风荷栽和风机荷栽两部分,采用高阶边界元法建立数值模型,开发了风、浪、流耦合作用时域程序。针对不同风、浪、流入射工况进行模拟,计算结果表明,风荷载单独作用下张力腿风机结构产生的运动响应与波流力作用下响应值比较不可忽略,并得到了一些时工程实践有意义的结论。     

极浅水大潮差海域漂浮式海上光伏阵列系泊系统优化设计

面向海上太阳能资源开发，提出一种轻量化单层框架式漂浮式海上光伏支撑结构。为应对极浅水、大潮差给漂浮式海上光伏阵列系泊系统设计带来的极大挑战，考虑风、浪、流等环境载荷联合作用，采用时域耦合动力分析方法对漂浮式光伏阵列与系泊系统整体动力响应进行数值仿真，探究不同系泊参数对模块阵列运动响应和系泊缆受力等的影响规律。结果表明，合理选择系泊半径、浮子位置、浮子净浮力和预张力大小等可有效改善漂浮式海上光伏模块阵列的运动响应和系泊缆张力。基于此对系泊系统进行优化设计，并给出满足工程要求的系泊系统设计方案。     

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析

介绍基于疲劳分析准则的多跨海管自由悬跨评估方法,采用有限元分析软件Abaqus,结合管-土相互作用参数,建立多跨海管数值计算模型,提出悬空管道模态分析方法,并基于Palmgren-Miner线性损伤累积理论及采用S-N曲线,给出管道疲劳寿命的计算过程。通过工程实例,计算获得多跨海管的自振频率及应力幅值,完成多跨海管的疲劳寿命计算与分析,为工程设计起到一定的指导作用。     

海上吸力基础式风机结构动力响应研究

由于海上风机受到风浪流荷载的长期作用，因而其动力响应问题成为风机结构设计的关键问题。针对上述情况，以5 MW吸力基础固定式海上风机为研究对象，充分考虑风机基础与土的相互作用等非线性荷载，利用有限元方法建立了综合考虑空气动力、水动力和土壤约束力作用的海上风机整体动力耦合分析模型，在多荷载工况组合下进行了海上风机结构的动力响应分析。研究结果表明，海上风机整体结构位移最大区域在塔筒顶部，应力最大区域在吸力基础与风机塔架的连接处。通过对线性叠加法和Turkstra准则的对比分析验证可以看出，采用Turkstra准则能更准确地获得对风机结构动力响应最不利的荷载组合方式。     

风浪联合作用下5 MW三桩固定式风机动力特性响应

以NREL 5MW为目标风机,参考OC3Tripod风机尺寸参数,考虑风浪联合作用,取水深45m,建立三脚架固定式近海风机整机模型,比较定常风、湍流风以及不同风速对应的风电系统工作状态对风机动力特性响应的影响。结果表明:在对风机结构进行强度校核时,出于安全考虑,应使用湍流风模型计算分析风机整机模型;风机在工作状态下会受到较大的气动载荷,需着重研究工作状态下的风机姿态和结构特性。     

基于Kriging模型抗冰海洋平台管节点疲劳可靠性研究

以渤海冰情和冰荷载现场观测数据为基础,建立JZ20-2NW海域锥体模型冰力谱。同时利用谱分析方法,对该平台进行冰激疲劳分析。并结合冰疲劳环境荷载及冰力谱函数,提出了相对于冰速、冰厚随机冰载的管节点热点应力幅的近似计算方法——Kriging插值方法。结果表明,Kriging插值方法及疲劳可靠性分析方法合理有效。     

基于ANSYS的平台波流载荷下动力分析及疲劳分析

介绍了使用ANSYS有限元软件对平台结构进行静力分析、动力分析和疲劳分析的方法。应用ANSYS软件可以直接对波流载荷作用下的平台进行有限元分析，而且建模简单、计算精度高，可以方便地考虑载荷的随机性。根据ANSYS计算得到的应力，应用管节点的热点应力公式得到平台构件实际的疲劳应力，并使用S-N曲线法计算平台构件的疲劳损伤。对实际的平台进行数值计算，计算出的平台位移最大值和响应周期与现场实际测量值基本一致，这说明计算方法和数学模型是正确的。ANSYS有限元软件可以方便地计算平台结构在波浪、海流载荷下的动力响应和疲劳寿命，是进行平台设计和校核的有效工具。     

基于SESAM的自升式海洋平台疲劳寿命评估研究

在研究谱分析法基本原理的基础上,搭建了基于SESAM软件的海洋平台节点疲劳寿命评估流程,应用该流程完成了某自升式平台桩腿的疲劳寿命评估,针对该方法中需要输入的S—N曲线、波浪谱、JON—SWAP谱的不同伽马参数、波浪散布图等关键参数进行了敏感性分析,得到的结果和建议可供工程设计时参考。     

海上风电导管架结构受损评估与分析

以我国南海海域某施工船舶与海上风电导管架基础发生碰撞的事故为背景,结合当前海上风电导管架结构受损评估分析方法,采用有限元模拟的方式对受损导管架开展剩余强度分析、疲劳分析等研究,计算得到导管架结构受损前后各杆件、节点的应力情况,以及受损构件在疲劳载荷作用下受压、受拉工况的损伤值。结合相关行业规范,对计算结果进行讨论分析,综合评估导管架的受损情况,为下一步修复方案的制定提供依据。分析结果可为后续研究及实际工程提供参考。     

基于BCALoD的FPSO软刚臂系泊系统疲劳分析

针对软刚臂系泊系统铰节点在服役过程中出现的疲劳损伤问题,提出一种基于原型监测和局部密度双向聚类算法（Bidirectional Clustering Algorithm based on Local Density,BCALoD）的疲劳寿命计算方法。采用BCALoD算法对获得的船体六自由度进行工况分类,运用多体动力学将运动数据转算为受力时程,将其作为铰节点疲劳寿命分析的载荷谱。采用Abaqus软件建立各铰节点有限元模型以计算热点应力,结合Miner线性疲劳累积损伤理论和雨流计数方法计算疲劳寿命。进一步分析评估基于实测数据的铰节点疲劳设计指标,指出该FPSO软刚臂上铰节点的疲劳寿命不足以支持其完成服役,且各铰节点难以统一维护和更换。本研究可为在役软刚臂系泊系统的疲劳寿命计算提供一种新的载荷处理方法,为未来海洋平台的设计提供参考。     

超深水钻井系统隔水管波致疲劳研究

钻井隔水管是深水油气田开发的关键装备,钻井系统浮体运动与波浪载荷可能导致隔水管的疲劳失效。在超深水环境下,浮体与细长结构之间的交互作用十分显著,而基于常规解耦方法预测得到的隔水管波致疲劳状况是不准确的,因此,建立了超深水环境下的系泊钻井系统有限元模型。基于耦合系统分析方法,对隔水管疲劳特性进行的研究表明,由低频浮体运动导致的低频疲劳是引起隔水管疲劳失效的重要因素,同时受浮体与细长结构之间耦合效应的影响也比较显著。因此,精确预测浮体运动是分析隔水管波致疲劳的关键,推荐采用耦合系统分析方法。     

基于有限元法的平面K/Y型管节点SCF特性分析

利用ANSYS有限元软件建立有限元数值模型,基于实际工程的关键参数,确定平面K/Y型管节点的8种计算工况,针对每种工况分别施加9种加载方式,得到管节点沿焊缝周向的SCF,并与DNV规范推荐方法的计算值进行对比,结果显示:管节点弦杆位置处的SCF高于撑杆位置的SCF;SCF的极大值出现在管节点的鞍部或冠部周围,加载方式均会对管节点SCF造成影响,但影响不大。     

浮式生产储油轮火炬塔结构的疲劳分析

运用现代疲劳强度理论与方法,对国内一艘在建浮式生产储油轮的火炬塔结构进行疲劳强度校核,并对疲劳分析中所应用的波浪诱导运动长期预报、管节点热点应力和疲劳寿命计算做了介绍。