海上风机在三种风载荷作用下的疲劳分析方法研究

文章提出一种基于等效疲劳载荷的快速有效的结构优化设计方法,首先通过bladed模拟得到时域下的风载荷,然后通过雨流计数法则和等效损伤理论得到相应的疲劳载荷谱和等效疲劳载荷,接着以导管架式海上风机为例,利用AN-SYS对其进行三维建模,选取三种典型管节点和两种非管节点,基于热点应力法计算了其在三种风疲劳载荷作用下的疲劳损伤,通过比较三种载荷作用下的疲劳损伤结果,验证了等效疲劳载荷的可靠性.接着又计算了各等效疲劳载荷分量单独作用下的海上风机焊接节点的疲劳损伤,得出各疲劳载荷分量对疲劳总损伤的贡献,可以为设计者提供更好的载荷设计依据.相比于传统的时域疲劳分析方法和疲劳载荷谱方法,等效疲劳载荷方法更加方便有效.     

海上风机在三种风载荷作用下的疲劳分析方法研究（英文）

文章提出一种基于等效疲劳载荷的快速有效的结构优化设计方法,首先通过bladed模拟得到时域下的风载荷,然后通过雨流计数法则和等效损伤理论得到相应的疲劳载荷谱和等效疲劳载荷,接着以导管架式海上风机为例,利用ANSYS对其进行三维建模,选取三种典型管节点和两种非管节点,基于热点应力法计算了其在三种风疲劳载荷作用下的疲劳损伤,通过比较三种载荷作用下的疲劳损伤结果,验证了等效疲劳载荷的可靠性。接着又计算了各等效疲劳载荷分量单独作用下的海上风机焊接节点的疲劳损伤,得出各疲劳载荷分量对疲劳总损伤的贡献,可以为设计者提供更好的载荷设计依据。相比于传统的时域疲劳分析方法和疲劳载荷谱方法,等效疲劳载荷方法更加方便有效。     

海上风机支撑结构的时域和频域疲劳对比研究

对海上风机支撑结构进行动力响应分析,求出结构危险节点的载荷谱和功率谱密度函数,结合疲劳损伤模型和Dirlik概率模型,分别在时域和频域内对支撑结构进行疲劳寿命分析。由于时域法计算疲劳寿命需进行应力循环计数,这一过程需处理的数据庞大,耗时长。频域法省去应力循环计数,代之以概率密度函数,可相对准确、快速地计算结构的疲劳寿命。分析结果表明,采用Dirlik概率模型的频域分析法能较准确地反映海上风机支撑结构在随机载荷作用下的疲劳损伤情况,计算结果误差在可接受范围内。     

海上风机支撑结构的时域和频域疲劳对比研究

对海上风机支撑结构进行动力响应分析,求出结构危险节点的载荷谱和功率谱密度函数,结合疲劳损伤模型和Dirlik概率模型,分别在时域和频域内对支撑结构进行疲劳寿命分析.由于时域法计算疲劳寿命需进行应力循环计数,这一过程需处理的数据庞大,耗时长.频域法省去应力循环计数,代之以概率密度函数,可相对准确、快速地计算结构的疲劳寿命.分析结果表明,采用Dirlik概率模型的频域分析法能较准确地反映海上风机支撑结构在随机载荷作用下的疲劳损伤情况,计算结果误差在可接受范围内.     

Spar基础浮式风机系泊系统全耦合分析

本文以OC3 Hywind Spar基础浮式风机为研究对象,采用先进的空气动力-水动力耦合时域分析方法,针对其在中国南海某海域风浪流共同作用下,系泊系统、浮式基础运动以及风机与塔桶载荷响应进行分析。对比了定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统、整体运动响应以及风机载荷的影响。计算结果表明：相比于湍流风,采用定常风进行浮式风机系泊系统分析将得到偏于危险的结果,同时浮式风机运动响应与风机载荷结果偏小。本文建议在系泊系统初始设计阶段采用定常风方法进行设计,在系泊分析阶段采用湍流风进行分析,以保证浮式风机长期服役安全。     

Spar基础浮式风机系泊系统全耦合分析

以OC3 Hywind Spar基础浮式风机为研究对象,采用先进的空气动力-水动力耦合时域分析方法,对其在中国南海某海域风浪流共同作用下的系泊系统、浮式基础运动以及风机和塔架载荷响应进行分析,对比定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统、整体运动响应以及风机载荷的影响。计算结果表明:相比于湍流风,采用定常风进行浮式风机系泊系统分析将得到偏于危险的结果,并且,浮式风机运动响应与风机载荷结果偏小。因此,建议在系泊系统初始设计阶段采用定常风方法进行设计,在系泊分析阶段采用湍流风进行分析,以保证浮式风机的长期服役安全。     

冰区海上风机的动力响应及疲劳分析

本文针对冰区作业的海上风机进行动力响应分析与疲劳损伤计算。采用Kaimal风速谱进行风载荷计算。采用K?rn?冰力谱进行冰载荷计算。分别进行风载荷、冰载荷与风冰联合作用3种不同工况下的海上风机动力响应分析与疲劳损伤评估。结果表明,风载荷作用下塔筒顶端位移要远大于冰载荷作用。风冰联合作用下风机在泥面处的支座反力与弯矩均大于单一载荷的作用。冰载荷作用下风机的疲劳损伤小于风载荷所造成的疲劳损伤,但风冰联合作用下风机的疲劳损伤均大于任一载荷单独作用。采用DNV方法计算得到的疲劳损伤值较接近风冰载荷联合作用计算结果,且偏于保守。     

海上风机半潜型浮式基础水动力性能研究

基于三维势流理论,利用AQWA软件对某海上千瓦级垂直轴风机浮式基础及其系泊系统进行了水动力分析,在频域中计算浮式基础在不同浪向规则波中的水动力及其运动响应,在时域中计算风浪流联合作用下,处于锚泊状态的浮式基础在福建近海生存海况下的非线性耦合运动响应,同时对浮式基础的系泊方式进行了安全校核计算,结果表明系泊方式安全有效。本文所得出的结论对于相关工程实践有一定的指导意义。     

导管架式海上风机基础频域疲劳分析

海上风机基础长期受到环境载荷作用，其管节点、过渡段等薄弱部位易产生疲劳破坏，需进行疲劳强度校核。通过有限元软件建立结构模型，参考DNVGL-RP-C203划分结构有限元网格。由AQWA计算波浪载荷，Bladed计算风机气动载荷，使用APDL命令流快速加载、求解并读取结构应力。采用谱分析方法计算载荷单独作用下的结构应力谱，使用谱叠加原理计算风浪同时作用下的结构应力谱，采用Dirlik解析式计算疲劳寿命，完成疲劳校核，并给出优化建议。     

单点悬挂式结构物水动力性能和结构强度分析

以某单点悬挂式海洋结构物为例,采用数值方法对其水动力性能和结构强度进行分析。建立结构物水动力模型和结构有限元模型,创建附加刚度矩阵模拟悬挂点的约束作用,采用三维频域势流理论和Morison理论计算结构物的水动力性能和波浪载荷。考虑结构物自身重力、浮力、波浪力、惯性力和悬挂点约束力等载荷的作用,采用有限元法分析其结构强度,为悬挂式结构物的设计和计算校核提供参考。     

半潜型浮式风机运动特征及系泊系统的研究

近年来海上浮式风机的研究备受关注,安全可靠的系泊系统将保证风机在风、浪、流等复杂环境荷载作用下稳定运行,准确合理地描述风机运动将为评估风机发电效率提供支持。以半潜型浮式风机的系泊系统为研究对象,基于经典悬链线理论,采用准静态分析法提出一套系泊系统的设计方法。通过坐标变换,得到风轮真实的俯仰运动用于计算风机的动力效应及评定其发电效率。采用动力法分析了系泊系统锚链的导缆孔位置、预张力大小、锚链间夹角等参数对风机系统发电效率、浮式平台运动性能和系泊锚链张力的影响,得到了浮式平台迎风面俯仰倾角、水平偏移及锚链张力随参数的变化规律,为半潜型浮式风机系泊系统的设计提供了参考。     

西非海域外输系统中输油管的疲劳分析

外输系统在深水油田开发中得到了广泛应用,而其中输油管的疲劳问题是外输系统设计分析的关键。针对西非深水海域外输系统中的输油管展开疲劳特性分析,基于典型西非海况下外输系统整体时域耦合分析结果,对输油管时域应力曲线采用雨流计数法进行分析,然后根据合适的S-N曲线和Miner线性准则对输油管进行疲劳损伤计算。分析内容包括西非海域不同的环境条件对输油管疲劳的作用,穿梭油轮系泊情况下输油管的疲劳特性并考虑了横向升力对于输油管疲劳损伤的影响等。通过分析得出与输油管疲劳特性相关的环境参数及造成输油管疲劳损伤的主要因素,为输油管的设计与分析提供参照。     

锚栓组件在10 MW海上风机基础的应用

为满足10MW海上风机全生命周期内稳定运行,从风机基础锚栓笼锚栓组件结构设计、技术要求、防腐性能和施工安装等方面进行综合考虑,采用减小应力集中的圆弧螺纹结构锚栓,提高产品承载和疲劳性能,复合型防腐和大螺距易于组装的锚栓组件,为海上风机全生命周期内的运行提供根本保障。锚栓组件首次在该10MW海上风电样机的成功应用,为锚栓组件在海上风机基础的应用奠定了良好的基础。     

基于风浪环境联合概率的可移动式风电装备效能预报

为了准确分析和评估可移动式风电装备的发电能力及其影响因素,针对5 MW级可移动式漂浮风机,在SIMA软件中建立了风机-浮体-推进器全耦合时域仿真模型,对风机和浮体的仿真模型进行验证和标定,开展系列风浪流联合作用以及不同移动状态下的时域仿真。基于风浪环境联合概率密度对可移动式漂浮风机的全年发电能力进行统计分析,发现可移动式漂浮风机的全年净发电功率期望值能达到常规锚泊式风机的70%。分析不同海况下风机所受的风浪流环境力,发现在推进器抵抗的环境力中风轮推力占主导。比较定点和随风移动作业状态下可移动式漂浮风机的发电能力,发现在移动状态下全年发电期望值提高了24%。     

漂浮式风电平台动态电缆疲劳寿命分析

针对南海某8 MW浮式风机所配套的35 kV三芯电缆进行疲劳寿命分析，通过理论公式对电缆截面的力学性能进行计算，对其在各疲劳工况下的动力响应进行数值仿真，采用雨流计数法将不规则应力时程响应转化为应力循环周期，并通过Goodman平均应力修正法进行修正，最后结合材料S-N曲线，应用Miner线性累积损伤理论对电缆进行疲劳寿命的分析与评估。分析结果表明该电缆疲劳损伤最大处位于上端出防弯器处，损伤最大结构为铠装钢丝，累计损伤满足服役寿命要求。     

海上风机吸力式桶形基础竖向承载力特性研究

吸力式桶形基础作为一种新型的海上风机基础,正逐渐以单桶或者多桶组合形式被应用于海上风机支撑基础设计中。然而目前对应用于海上风机基础的桶形基础的极限承载力的研究仍存在研究不全面和结果不统一的问题。本文以宽浅型单桶基础为例,采用有限元软件Abaqus对海上风机吸力式桶形基础在饱和黏土地基中的竖向承载特性进行三维有限元分析。考虑桶土接触面分离条件对极限承载力和土体破坏模式的影响,并且对桶形基础长径比、土体的有效重度以及土体不排水抗剪强度分布对桶形基础竖向极限承载特性的影响进行分析。研究成果可以为海上风机吸力式桶形基础设计提供参考。     

单点系泊系统将军柱疲劳分析

渤海某FPSO的单点系泊装置固定塔架由导管架、将军柱和上部组块构成,其中将军柱是系泊力的主要承受构件之一,其结构安全至关重要。由于系泊力是典型的交变载荷,作用在结构上会产生疲劳损伤,因此有必要对将军柱进行在位期间的疲劳分析。本文提出一种长期海况下海上固定装置疲劳计算方法,通过AQWA软件建立单点系泊系统的多体耦合水动力模型模型,根据渤海的海况环境资料计算出FPSO运动时域内所受到的的系泊力;基于S-N曲线方法与Miner线性累计损伤理论,通过nCode Designlife疲劳计算软件计算将军柱结构的疲劳寿命和管节点的疲劳损伤;评估结构的疲劳强度,分析易发生疲劳的关键节点位置,并给出增加管节点疲劳寿命的建议及设计方法,为相同类型的海上固定式结构物的结构设计及疲劳分析提供有益的参考及借鉴。     

冰区海上风机结构的冰激疲劳寿命分析

冰载荷是诱发冰区海上风机结构疲劳破坏的重要因素,通常采用加装抗冰锥体的方式将海冰的挤压破坏转化为弯曲破坏,从而减小峰值载荷并削弱冰激振动。针对锥体风机结构在冰载荷作用下的疲劳寿命开展分析。基于渤海辽东湾某海域的现场监测数据确定了有效冰期、冰厚、冰速等疲劳分析参数,在冰速0～100 cm/s、冰厚0～30 cm范围内均匀划分50种疲劳工况,并将二者的联合概率分布作为疲劳工况的发生概率;采用具有粘结-破碎功能的球体离散单元构造海冰模型,计算风机与平整冰相互作用时的冰载荷时程及对应的热点应力;采用雨流计数法提取热点应力时程中的有效循环次数,根据S-N曲线和Miner线性累积损伤准则进一步计算其冰激疲劳寿命;最后将计算结果与通过锥体结构随机冰力函数构造冰载荷时程而得到的疲劳寿命相比较,验证了基于海冰离散单元模型的冰载荷时程构造方法的安全性与可靠性。     

海上风机吸力式桶形基础竖向承载力特性研究

吸力式桶形基础作为一种新型的海上风机基础,正逐渐以单桶或者多桶组合形式被应用于海上风机支撑基础设计中。然而目前对应用于海上风机基础的桶形基础的极限承载力的研究仍存在研究不全面和结果不统一的问题。本文以宽浅型单桶基础为例,采用有限元软件Abaqus对海上风机吸力式桶形基础在饱和黏土地基中的竖向承载特性进行三维有限元分析。考虑桶土接触面分离条件对极限承载力和土体破坏模式的影响,并且对桶形基础长径比、土体的有效重度以及土体不排水抗剪强度分布对桶形基础竖向极限承载特性的影响进行分析。研究成果可以为海上风机吸力式桶形基础设计提供参考。     

单点系泊系统将军柱疲劳分析

渤海某FPSO的单点系泊装置固定塔架由导管架、将军柱和上部组块构成,其中将军柱是系泊力的主要承受构件之一,其结构安全至关重要。由于系泊力是典型的交变载荷,作用在结构上会产生疲劳损伤,因此有必要对将军柱进行在位期间的疲劳分析。本文提出一种长期海况下海上固定装置疲劳计算方法,通过AQWA软件建立单点系泊系统的多体耦合水动力模型模型,根据渤海的海况环境资料计算出FPSO运动时域内所受到的的系泊力;基于S-N曲线方法与Miner线性累计损伤理论,通过nCode Designlife疲劳计算软件计算将军柱结构的疲劳寿命和管节点的疲劳损伤;评估结构的疲劳强度,分析易发生疲劳的关键节点位置,并给出增加管节点疲劳寿命的建议及设计方法,为相同类型的海上固定式结构物的结构设计及疲劳分析提供有益的参考及借鉴。