基于动力特性的海上单立柱三桩风电支撑结构优化设计及综合评价

【摘要】：风能相比其他能源最大的优点就是绿色无污染,作为一种清洁能源具有广阔的大规模开发和商业化发展前景。而海洋占了地球总表面积七成以上,在海上建造风电场不仅空间广阔,而且风力和风能密度都较大,且高效、稳定,因此有着更加巨大的发展潜力。海上风力发电技术是一项综合性的技术,涉及多种领域的多个学科。从小功率风机到大功率风机以及从浅水到深水都是经济获能的关键。海上风能开发的主要技术之一就是构建适应海上风机发展趋势的支撑结构,降低成本和提高可靠性是发展和研究的关键问题所在。本文针对固定式海上风电支撑结构的工程特点,在国内外有关研究成果的基础上对有关海上风电单立柱三桩支撑结构的动力特性和优化技术等问题进行了较为深入的研究。单立柱三桩结构的刚度大于单立柱结构,相比于单立柱结构,三桩结构可有效降低桩的直径,减小施工的难度,更有利于结构的稳定和抗疲劳特性,更加适合我国施工设备的施工能力。因此可适用于更深的水域,具体研究内容如下：●基于ANSYS大型有限元程序,使用参数化的语言开发了海上风机下部单立三桩支撑结构的优化设计仿真平台,构建了海上风电单立柱三桩式支撑结构以主要动力学参数表述的有限元模型。刚柔性结构方案支撑结构的力学性能有很大改善,即结构应力和变形都相对柔性方案有大幅的下降,而结构材料用量相差不明显。相比较而言,柔性结构变形较大,安全储备小,刚性结构方案不经济。并通过优化数值算例给出轮毂高度为100m的5MW风机单立柱三桩支撑结构对不同水深(10m-50m)的适应程度。●轮毂高度为100m的5.0MW OWT单立柱三桩支撑结构对不同水深有良好的适用性。然而由于社会经济及生物物理系统的复杂性,经济或者环境的选择并不一定是最好的。因此,在决策过程中,应用多目标决策分析方法来同时考虑相互冲突的属性,并且提供最好的选择方案。并且将TOPSIS方法应用于海上固定式风机支撑结构的综合决策。同时考虑了工程与环境准则,提供一种更好的评估不同支撑结构选择的客观方法。●通过算例将单立柱、格构式与单立柱三桩三种支撑结构体系的性能优化对比分析,建立风机动力特性和结构主尺度之间的关系：结合多准则评价中接近理想方案的序数偏好方法-TOPSIS推演优化,将结构安全属性、经济属性和环境属性与风机所处水深的内在联系进行评估。 【关键词】：海上风机 支撑结构 动力特性 ANSYS软件 优化技术 TOPSIS综合决策
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 研究背景和意义11-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 海上风力发电支撑结构14-16
• 1.2.2 结构优化设计16-17
• 1.2.3 多目标决策理论、方法17-18
• 1.3 主要研究工作及范围18
• 1.4 论文创新点18-20
• 2 基础理论20-26
• 2.1 有限分析方法20-21
• 2.2 优化理论21-23
• 2.3 多准则决策方法23-24
• 2.4 本章小结24-26
• 3 基于动力特性的海上单立柱三桩风电支撑结构优化设计26-40
• 3.1 结构特点26-27
• 3.2 动力特性27-28
• 3.3 优化设计技术28-30
• 3.3.1 设计参量29-30
• 3.3.2 状态变量30
• 3.3.3 目标函数30
• 3.4 优化算例30-38
• 3.4.1 塔架参数固定32-35
• 3.4.2 塔架参与优化35-38
• 3.5 本章小结38-40
• 4 固定式海上风电支撑结构综合决策40-48
• 4.1 评估准则确定-TOPSIS40-42
• 4.2 单立柱三桩支撑结构综合评估算例42-44
• 4.3 现有典型固定式风电平台结构方案综合决策算例44-46
• 4.4 本章小结46-48
• 5 优化软件程序界面设计48-53
• 5.1 模型自动生成模块48-49
• 5.2 静力分析模块49
• 5.3 动力特性分析模块49-50
• 5.4 优化仿真分析模块50-51
• 5.5 本章小结51-53
• 6 研究结论与展望53-55
• 参考文献55-58
• 致谢58-59
• 个人简历59
• 发表的学术论文及学术成果59

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