论文摘要
当今世界,随着全球人口数量的膨胀和社会经济的发展,世界能耗的增长,化石能源日趋匮乏和枯竭,能源开发导致的环境污染问题日益突出。因此,改善能源结构,利用新能源和可再生能源,已成为世界各国关注的热点。风能作为一种洁净无污染的可再生能源,对于改善能源结构,保护生态环境都有着深远的意义。从理论上讲,地球上1%的风能就能满足全世界的能源需求。风力发电是目前利用风能的重要形式,也是多种可再生能源利用技术中比较成熟的。如今,大型风电场正从陆地向海上发展,因为海洋风资源丰富,不占用土地,机位选择空间大有利于选择场地,受环境制约少,且海上风速高、湍流强度小、风电机组发电量多、风能利用更加充分,其能量收益比沿海风资源丰富地区陆地风机高20%—40%。对于我国来说,拥有东部沿海水深50m以内的海域面积辽阔,而且距离电力负荷中心（沿海经济发达电力紧缺区）很近,随着海上风电场技术的发展成熟,风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源来源。但是风电机组的基础被认为是造成海上风电成本较高的因素之一,大力发展比较经济的基础结构已经成为海上风电场研究开发的主要课题。本论文主要讨论了特定海区1.5MW风电单立柱基础结构的动力和静力特性。首先论述了海上风电机组单立柱基础结构是负有动力机械荷载即风机的海洋结构物,因为风机自身的激励频率接近于风电结构的自振频率,所以海上风电机组单立柱结构不仅要考虑海洋环境荷载的影响因素,更重要的是合理计算风机的启动,停转,正常运行等工况下所产生的荷载。本文选择模拟桩-土相互作用良好的SESAM软件来建立有限元模型,计算结构在极端环境荷载下的静强度和屈曲,运用API规范中的工作应力法来校核结构的刚度、强度和稳定性。建立动力分析ANSYS有限元模型,利用集中质量单元来模拟风机和设备荷载,利用等效桩的处理方法来模拟桩—土相互作用。选择了Block-Lanczos方法来完成对结构的自振特性分析,验证是否合理的避开风机的共振频率。最后,对渤海海区环境海上风电单立柱结构的极端工况和操作工况的动力耦合分析,所得数据表明,有海冰参与的环境荷载比没有海冰参与的环境荷载其最大位移和最大等效应力有较大的变化,并且在极限风荷载情况下风机停转时,风机仍然对结构的有较大影响。海上风电基础结构形式的研究直接影响海上风电机组的发展速度,是一个有着长期价值的研究领域。目前可以通过分析单立柱结构在不同动力荷载作用下的动力响应特性和不同动力源的动力耦合特征,提出风机荷载是关键的影响因素,要着重进行考虑。该研究不仅为其他基础结构提供了借鉴的价值,而且为海上风电结构的施工和安装提供更为准确的信息。