论文导读:：基于达索公司开发的ABAQUS有限元分析软件，利用ABAQUS提供的用户子程序编制程序，计算分析风电机组在海洋环境中受到的波浪力。在计算中，使用了三维梁单元和壳单元建模，应用线性波模拟海洋环境中的波浪。基于莫里森方程和数值积分的方法，分析桩柱形支撑结构上的波浪载荷，计算支撑结构的位移，应力变化等，得到了较好的结果。
论文关键词：ABAQUS，海洋风电机组，莫里森方程，线性波，波浪力
1 前言
能源是现代社会不可或缺的资源，是科技发展的直接推动力。目前，人类消耗能源的绝大部分是石油，天然气，煤炭等化石能源。然而，科学家早已证明，化石能源是有限的，不是取之不尽，用之不竭的，地球上的煤炭，石油等资源迟早有开发殆尽的一天。相关资料显示，世界上的煤炭还能开采200年，石油和天然气还能开采50年。
在这样的时代背景之下，面对着日益严重的资源危机和环境问题的挑战，人类开始寻找在传统能源之外的新型能源――可再生而且环保的清洁能源。风能以其结构简单，技术成熟成为众多清洁能源中的佼佼者。目前各个国家，尤其是欧洲国家正在大力研究风能技术，发展风能产业，建设并投入使用了许多陆上和海上风电场。伴随着这股新能源的开发大潮，海上风电场的建设日益成为当前海洋工程领域的热点问题。
目前我国的海上风电场建设尚处于起步阶段，国家首个风电场示范工程――东海大桥风电场项目正在建设过程中，风电机组的许多关键技术还在进一步探索和研究当中，海洋环境载荷分析便是关键技术之一。
在海洋风电场所处的近岸海域，波浪载荷是一类重要的海洋环境载荷。当波浪与结构物发生作用后，在结构物附近，波面将发生复杂的非线性变形,理论分析较为困难，在工程中计算和分析的难度很大。在另一方面线性波，支撑结构是风电机组的基础，支撑结构的质量直接决定了风电机组的安全性，可靠性和稳定性。从投资比例来看，陆上风电机组的支撑结构投资占到总投资额的9%，海上风电机组的支撑结构投资更是占到总投资额的25%，可见其重要程度。综上所述，研究作用于风电机组支撑结构上的波浪力是风电机组开发中的核心和关键技术。因此，正确计算和分析支持结构所承载的波浪载荷不仅对于波浪理论具有重要意义，还具备充分的工程应用价值。
2 计算理论和方法
工程上对于尺度较小的结构物，目前广泛采用Morison公式来计算结构所承载的波浪载荷。计算的基本过程是：
（1）选择合适的波浪理论(线性波浪理论或者视需要选择其他高阶波浪理论)；
（2）根据雷诺数（Reynolds number）以及其他相关参数选择合适的水动力系数：拖曳力系数 和惯性力系数 ；
（3）应用莫里森公式（ Morrison’s Equation）。
2.1 直立桩柱上的波浪力
 海洋风力发电机组的支撑结构存在多种形式，有单桩式，三角架式，群桩式，重力式，导管架式等多种。归纳起来，单桩式和重力式可以看作是浸入水中的直立桩柱，而三桩式，群桩式可以看作多根不同角度倾斜浸入水中的桩柱的组合。因此对直立和倾斜桩柱的波浪力分析能很好地反映工程实际。
图一 小尺度直立桩柱波浪力计算示意图
假定有一柱体，直立在水深为d的海底上，波高为H的入射波沿着x正方向传播，圆柱体中轴线与静水面的焦点为坐标轴原点，z轴垂直向上，模型示意图如图一所示。根据挪威船级社（DNV）规范，位于桩柱任意高度z处的一个单位长度的微段，其收到的水平波浪力按Morison方程计算：
 (1)
Morison公式中的 和  随选择的波浪理论不同而异。在工程实际中，要针对柱体所在的海域的水深和设计波的波高，周期等条件综合考虑选用合适的波浪理论来确定和 ，同时合理选择水动力系数和免费论文网。
本文在分析和计算中采用线性波理论。线性波是指波高H与波长L，水深d相比为小量的波，线性波理论也称作Airy理论或正弦波理论。线性波的波面方程为：
 （2)
根据线性波浪理论，带入Morison方程，考虑圆柱轴心上x=0，则单位圆柱上的水平波浪力：
 (3)
对于规则的圆柱体，可以得到积分式的解析解表达式。对于工程实际中的不规则结构物，工程师常采用梯形法分段数值积分的方式求得桩柱的波浪力和力矩的数值。计算公式如式(4)所示。
 (4)
2.2 倾斜桩柱上的波浪力
图二 倾斜桩腿受力示意图
假定有一柱体，倾斜在水深为d的海底上，倾斜角为 ，波向角为 ，波高为H的入射波沿着x正方向传播，z轴与静水面的焦点为坐标轴原点，模型示意图如图二所示。就沿x方向传播的二维波浪的情况而论，在柱体上任一点处，水质点的速度可分解为与主轴正交和相切的水质点速度 、 和加速度 、 。在一般情况下，对于任意方向的倾斜柱体，与主轴正交的速度和加速度将不在同一空间平面内。因此由拖曳力和惯性力的总力，就必须写为矢量和形式，一般形式下的Morison方程应该写为：
 (5)
将合力投影到三个坐标轴上，则式矢量表达式(5)可以写为：
 (6)
根据线性波浪理论，可推导出速度和加速度的表达式如式(7) 和式(8)所示：
 (7a)
 (7b)
 (7c)
 (7d)
 (8a)  (8b) (8c)
1/3 1 2 3 下一页 尾页 |
