潮流电站载体结构优化

论文摘要

随着石油、煤炭等常规能源的日益消耗,各种新能源的开发利用显得日益重要。作为新能源的一种,潮流能发电就是利用海水周期性水平流动的动能发电。潮流能资源丰富,分布广泛,属于低碳或非碳能源,既不存在资源枯竭问题,又不会对环境构成严重威胁,是实现可持续发展战略的重要组成部分。为推动潮流能利用的实用化进程,针对已建成的“座海底式40kW潮流能独立发电实验电站项目”进行了优化分析。首先,介绍了优化理论的发展历史及现状,并根据潮流电站设计变量多的特点,选择了ANSYS软件中的优化模块作为优化工具。其次,根据“座海底式40kW潮流能独立发电试验电站项目”的资料,对载体结构进行了有限元建模,建模过程中对一些不参与受力的构件进行了适当的简化。第三,应用有限元软件ABAQUS对相同的载体结构建立了结构分析模型,与ANSYS数值模型计算结果进行了对比。两者结果具有相似性,证明利用数值模拟的方法计算载体结构的方法是可行的。第四,根据当地的潮流流速,计算出3.01m/s潮流流速情况下作用在载体结构上的潮流荷载,以静载的方式施加在载体结构上;根据相关资料所提供的发电机组重量和水轮机叶片重量的数据,以均布荷载的方式施加在载体结构上;对基座底部施加了约束条件;完成了有限元分析过程。从位移数据看,结构运行是安全的;从应力数据看,材料未得到充分利用;证明载体结构存在优化设计的空间。最后,通过定义载体结构各部分的截面属性为设计变量,包括钢板厚度和角钢的截面参数等,定义最大合位移与最大等效应力为状态变量,定义结构重量为目标函数,利用ANSYS提供的零阶优化方法,完成了优化分析。优化结果显示;浮箱,导流罩及沉箱的外壳厚度较原设计有明显下降;导流罩的角钢截面尺寸减小;而在一些局部强度不足的地方,浮箱和沉箱的角钢截面尺寸稍有增大;在满足结构安全运行的条件下,提高了结构的整体应力水平;结构自重较原设计下降了32.4%。分析结论对潮流电站的载体结构设计具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题提出的背景
• 1.2 浙江沿岸和长江口区潮流能源及其开发利用
• 1.2.1 潮流特性
• 1.2.2 潮流能统计方法
• 1.2.3 潮流蕴藏量及分布
• 1.3 潮流资源开发利用现状
• 1.3.1 立轴水轮机潮流电站的试验研究
• 1.3.2 其它潮流能开发方式的试验研究
• 1.3.3 潮流能开发的理论研究
• 1.4 优化技术应用动态
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 结构优化设计理论
• 2.1 早期的结构优化设计
• 2.2 当代结构优化设计
• 2.2.1 结构尺寸优化设计
• 2.2.2 结构形状优化设计
• 2.2.3 结构拓扑优化设计
• 2.3 用有限元软件ANSYS实现结构优化设计
• 2.3.1 优化变量
• 2.3.2 优化方法
• 2.3.3 优化工具
• 2.4 小结
• 第三章 潮流电站工程及其载体结构
• 3.1 潮流电站工程概况
• 3.2 电站结构方案
• 3.3 主体钢结构
• 3.3.1 导流罩
• 3.3.2 浮箱
• 3.3.3 沉箱
• 3.3.4 基座
• 第四章 载体结构有限元分析
• 4.1 几何模型的建立
• 4.1.1 几何模型的简化
• 4.1.2 模型的建立
• 4.2 材料属性的设置
• 4.3 单元类型的选择和单元划分
• 4.3.1 单元类型的选择
• 4.3.2 模型有限元网格的划分
• 4.4 模型的验证
• 4.5 边界条件的确定
• 4.6 荷载的施加
• 4.6.1 荷载的简化处理
• 4.6.2 潮流力
• 4.6.3 自重力
• 4.7 计算与结果分析
• 4.7.1 反力分析
• 4.7.2 位移分析
• 4.7.3 应力分析
• 4.8 小结
• 第五章 载体结构优化分析
• 5.1 ANSYS优化理论概念
• 5.2 优化计算
• 5.2.1 设计变量
• 5.2.2 状态变量
• 5.2.3 目标函数
• 5.2.4 优化控制设置
• 5.3 优化结果数据整理与分析
• 5.4 优化后的有限元分析
• 5.4.1 优化后的模型更新
• 5.4.2 位移分析对比
• 5.4.3 应力分析对比
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 附录A 有限元建模的APDL命令
• 附录B 优化分析的APDL命令
• 致谢
• 参考文献