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風(fēng)能作為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的可再生綠色能源，經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)是風(fēng)能研究的成果之一，海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的安裝由風(fēng)電機(jī)組安裝船實(shí)施。風(fēng)電機(jī)組安裝船是一種自升自航式工程船，由船體、推進(jìn)器、樁腿和升降裝置等幾個(gè)部分組成，既能自航，又能定位。風(fēng)電機(jī)組安裝船不同于自升式平臺(tái)，因?yàn)樗朔俗陨狡脚_(tái)不能自航的缺陷，航行和就位不需要拖輪輔助，機(jī)動(dòng)靈活。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組安裝船也不同于一般的自航式船，它克服了漂浮式工程船工作不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，海上作業(yè)時(shí)，樁腿站立于海底，船體升到水面以上，工作非常穩(wěn)定。風(fēng)電機(jī)組安裝船作業(yè)時(shí)，船體和樁腿受到風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷沖擊。環(huán)境載荷通過(guò)樁腿、樁靴傳遞給地基。樁腿結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)電機(jī)組安裝船的安全有至關(guān)重要的作用，研究樁腿的受力有限元分析具有重要意義。
本文研究對(duì)象是擬為東海風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際工程項(xiàng)目服務(wù)的風(fēng)電機(jī)組安裝船。全船配置四個(gè)樁腿，為獨(dú)立小樁靴型式，通過(guò)滑輪升降裝置提升和下放樁腿。正常作業(yè)時(shí)，樁腿通過(guò)預(yù)壓插入泥中，起定位作用;船體未升離水面，保持一定吃水。此種操作狀態(tài)下，在水平方向，當(dāng)海上風(fēng)浪較大時(shí)，船體會(huì)受到相當(dāng)大的波浪沖擊力，此載荷完全傳遞給樁腿。樁腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全，需要通過(guò)樁腿的強(qiáng)度分析來(lái)校核。本文的研究?jī)?nèi)容有兩部分：一是應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算風(fēng)、流載荷，基于三維勢(shì)流理論計(jì)算波浪載荷，并將得到的環(huán)境載荷分配給四個(gè)樁腿，得到單個(gè)樁腿外載荷；二是應(yīng)用MSC.PATRAN NASTRAN，軟件建立單樁結(jié)構(gòu)有限元模型，選取兩種作業(yè)工況，分別確定邊界條件及載荷，對(duì)樁腿作強(qiáng)度分析。
計(jì)算工況取風(fēng)浪流同向且方向角為9090時(shí)的最危險(xiǎn)狀態(tài)。兩種工況如下：風(fēng)浪流同向船舶正浮狀態(tài)；考慮起重設(shè)備偏載狀態(tài)。作用在船體上的風(fēng)載荷按下式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于小尺度的結(jié)構(gòu)物，波浪力計(jì)算采用Morison公式；對(duì)于大尺度結(jié)構(gòu)物(如船體或浮式平臺(tái))，波浪載荷可用切片理論或三維勢(shì)流理論，來(lái)進(jìn)行計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，基于三維勢(shì)流理論已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多計(jì)算程序，并已被廣泛應(yīng)用于船舶與海洋工程。本船的波浪力計(jì)算濕表面模型如圖所示，模型由船殼濕表面和地表面至船底之間樁腿外殼組成。船體和樁腿外殼均采用板單元模擬。邊界條件為樁腿底部鉸支。模型坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于船艦底部中線處，x軸向船舷為正，Y軸向左舷為正，z軸向上為正。本船在橫浪時(shí)所受波浪載荷的幅值響應(yīng)算子如圖所示。譜峰參數(shù)Y=2.8。有義波高為2.3m，平均周期為5.3s，其譜密度曲線見(jiàn)圖。從而可得作業(yè)狀態(tài)船舶橫浪時(shí)波浪載荷的譜密度函數(shù)，并計(jì)算其方差了。短期預(yù)報(bào)是指統(tǒng)計(jì)時(shí)間在半小時(shí)到數(shù)小時(shí)之間海洋結(jié)構(gòu)的響應(yīng)預(yù)報(bào)，大量的實(shí)踐表明，短期海況的波浪幅值與海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值服從Rayleigh分布。
強(qiáng)度分析對(duì)象為單個(gè)獨(dú)立樁腿，不考慮樁腿之間相互作用的影響。模型中樁腿樁靴外板為shell板單元，板厚為24mm，內(nèi)側(cè)的加強(qiáng)筋構(gòu)件beam梁?jiǎn)卧孛鏋?6mmx350mm。有限元模型如圖所示，風(fēng)電機(jī)組安裝船樁腿為獨(dú)立樁靴形式，正常作業(yè)前，樁腿要預(yù)壓入土，插深一般為3-5m，計(jì)算時(shí)取樁腿插深為5m。入泥部分樁腿與地基之間存在間隙，因此有限元計(jì)算邊界條件取樁腿底部為鉸支，即固定樁腿底部的節(jié)點(diǎn)位移。
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