海上风电吊装船吊装作业过程中结构损伤安全研究

【摘要】：随着风电行业的迅速发展,海上风电吊装船日渐成为重要的新型海洋工程船舶,它集运输船及自升平台的多种功能于一身,包括运输、吊装、升降、安装等功能。海上风电吊装船在作业时面对海上极其复杂的作业环境,风电吊装船在工作时可能会遇到各种意外情况。本文就风电吊装船意外碰撞塔筒及吊装作业时机舱意外坠落对船体可能造成的损伤情况进行分析计算,为该船型的设计及吊装作业安全提供参考。本论文主要研究工作和成果如下:(1)针对海上风电吊装船作业过程中可能涉及的结构损伤风险进行分析,提出了风电船结构安全研究主要范围;选择MSC.Dytran软件,建立了海上风电吊装船有限元模型,开展结构安全研究。(2)分析了风电吊装船在风电场内的风电基桩附近航行和作业时,存在风浪诱导或人为操作失误而导致与风电基桩发生侧向碰撞的风险。以目标船为算例,利用软件模拟了船舶以不同速度侧向(90°及45°)低速碰撞风电基桩,得到了撞击中能量转换和吸收情况,及船体的结构变形和损伤过程,获得了可能造成船舶损伤的速度范围。其成果可供设计人员和驾驶人员参考。(3)分析了风电机组吊装作业过程中,存在因操作失误或其他因素意外吊重坠落而导致风电机组及船体结构损伤的风险。文章以风机中最大的部件机舱为吊装物,模拟了不同速度下意外坠落对船体结构的冲击,得到了对船体造成结构损伤和破坏的情况及能量转换吸收曲线,获得了机舱下落导致船体结构屈服强度产生塑性变形和结构发生破损的临界速度。(4)文章模拟了吊车以不同速度下放重物,对船体结构的冲击和影响,提出了风电机组安全下放速度的限制,其研究结果可以用于指导船型的结构设计和安全吊装作业;在此基础上提出了原有船体结构加强和缓冲措施。分别模拟了在船体强肋位处加装支柱及在甲板铺设橡胶的抗冲击情况,并比较了增加支柱提高船体结构抗冲击能力与橡胶吸能减缓冲击的效果;橡胶缓冲效果更佳。本文计算结果及研究方法也可为其他船舶或结构物的碰撞提供一定的参考及借鉴作用。 【关键词】：风电吊装船 碰撞冲击 有限元 数值仿真 结构损伤
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 研究背景和研究意义13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 海上风电吊装船的发展现状13-15
• 1.2.2 海上风电吊装船的结构强度以及载荷研究15-16
• 1.2.3 船舶结构安全问题及研究进展16-19
• 1.3 论文的主要研究内容与方法19-21
• 第2章 碰撞数值仿真原理和方法21-31
• 2.1 碰撞机理21-22
• 2.2 非线性有限元控制方程22-29
• 2.2.1 碰撞运动方程的求解方法23-24
• 2.2.2 接触算法24-27
• 2.2.3 材料的失效准则27
• 2.2.4 碰撞仿真计算方法27-29
• 2.3 本章小结29-31
• 第3章 风电吊装船及有限元模型建立31-39
• 3.1 风电吊装船船型与主尺度31-33
• 3.1.1 风电吊装船主尺度31-32
• 3.1.2 船型及布置特点32-33
• 3.2 有限元模型33-37
• 3.2.1 有限元软件的介绍及计算流程33-34
• 3.2.2 模型的材料及单位制的选择34
• 3.2.3 全船有限元模型的建立34-36
• 3.2.4 单元属性36-37
• 3.3 本章小结37-39
• 第4章 船舶侧向撞击海上风电站数值仿真39-51
• 4.1 碰撞场景39-40
• 4.2 模型的建立40-41
• 4.2.1 船型尺度及碰撞参数40-41
• 4.2.2 边界条件及接触的定义41
• 4.3 侧向（与船艏方向呈 90°）撞击仿真结果及分析41-44
• 4.3.1 碰撞区结构损伤变形41-42
• 4.3.2 平行中体应力应变图42-43
• 4.3.3 能量的转换与吸收43-44
• 4.4 不同碰撞速度下侧撞的特性分析44-47
• 4.5 斜向（与船艏方向呈 45°）撞击仿真结果及分析47-49
• 4.5.1 仿真参数设定47-48
• 4.5.2 仿真数值分析48-49
• 4.6 本章小结49-51
• 第5章 风机坠落碰撞模型数值模拟51-63
• 5.1 碰撞模型的建立51-55
• 5.1.1 碰撞参数51-54
• 5.1.2 边界条件54-55
• 5.2 接触的定义55-56
• 5.3 仿真结果及分析56-61
• 5.3.1 平行中体损坏变形位移过程56-57
• 5.3.2 平行中体应力应变图57-59
• 5.3.3 能量转换与吸收59-61
• 5.4 本章小结61-63
• 第6章 安全下放速度研究63-73
• 6.1 下放速度为 0.05m/s63-67
• 6.1.1 平行中体应力应变图63-66
• 6.1.2 能量的转换与吸收66-67
• 6.2 不同下放速度的模拟情况67-71
• 6.3 本章小结71-73
• 第7章 船体结构抗冲击性能优化73-83
• 7.1 结构耐撞性指标73
• 7.2 强肋位处加支柱73-76
• 7.3 缓冲装置的抗冲击性76-82
• 7.3.1 缓冲材料的性能77-78
• 7.3.2 缓冲装置的碰撞78-79
• 7.3.3 橡胶缓冲后的碰撞分析79-82
• 7.4 本章小结82-83
• 第8章 总结与展望83-86
• 8.1 论文的研究工作总结83-84
• 8.2 进一步的展望84-86
• 参考文献86-90
• 致谢90

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