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船舶与海上风电站碰撞的数值仿真研究

作　者: 李艳贞
导　师: 邹早建
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 海上风电站船舶碰撞桩土相互作用抗撞性数值仿真
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自上世纪70年代世界石油危机以来,风能作为一种可再生清洁能源和替代能源受到了世界各国的关注。在欧洲,海上风电技术日趋成熟,已经进入大规模开发阶段,德国、丹麦、瑞典等国已建成20多座海上风电场。这些风电场靠近繁忙的航道,随着风电场的日益增多,风电站遭受过往船舶撞击的概率随之增大。近年来,我国东南沿海风电事业也在蓬勃发展中。虽然我国目前的风电场多是建在岸边和滩涂上,但是,随着电能需求的不断增加和海岸线的有限,我国的风电事业必然会向近海发展,随之而来的是风电站遭受船舶撞击的概率将不断增加。因此,针对海上风电站的结构抗撞性研究,是一项前瞻性研究,该项研究可为我国未来安全利用海洋风能提供一定的技术支撑,具有重要的现实意义和工程应用价值。研究船舶碰撞问题的方法多种多样,有解析法、试验法、有限元法等。而船舶与海上风电站的碰撞问题是一个相当复杂的课题,碰撞过程受诸多因素的影响。有限元数值仿真技术是一项已经在船舶碰撞领域得到广泛应用并得到试验验证的技术。它可以解决各种复杂条件下的碰撞问题,获得可靠的结果。本文应用基于该技术的非线性有限元动态响应分析程序MSC.Dytran对风电站结构抗撞特性进行了研究,得到了风电站的结构损伤特性、碰撞力-撞深曲线、能量转化曲线及其它相关数据,并从这些数据中得到了许多有意义的结论。首先,本文从船舶碰撞的内部和外部机理方面对船舶碰撞问题的研究进展进行了归纳和总结,介绍了研究船舶碰撞问题的各种理论和方法,分析了海上风电业发展的趋势和前景。其次,总结了非线性有限元数值仿真中所涉及的基本理论和关键技术。讨论了显式有限元的发展,总结、回顾了基于有限元法求解船舶碰撞问题的控制方程及其求解方法,讨论了显式时间积分步长的控制方法,阐述了碰撞响应过程中金属材料的动力特性和本构模型,介绍了有限元仿真中所依据的失效准则,分析了接触碰撞界面的主要算法及摩擦力的计算问题,并详细讨论了有限元法解决碰撞问题用到的单元类型及其选取方法。再次,海上风力发电是新兴行业,国内有关海上风电的研究尚处于起步阶段,本文在国内首次对海上风电站的抗撞性能进行了有限元数值仿真研究。利用非线性有限元动态响应分析程序MSC.Dytran模拟了一艘5000吨船舶以不同速度侧向撞击海上风电站的动态过程,得到了风电站的结构损伤特性、碰撞力-撞深曲线、能量转化曲线及其它相关数据。根据数值仿真计算结果,分析了风电站的结构抗撞特性,并对撞击过程中风电站的结构变形特征以及撞击能量对风电站结构损伤的影响程度进行了探讨。此外,运用数值仿真技术,对一导管架式海上风电站遭遇一3100TEU集装箱船艏撞击的动态过程进行了模拟,同时获得了风电站及船艏的损伤情况,比较了两者的损伤程度及各自的能量吸收情况,得出了相关结论。最后,讨论了桩土相互作用对海上风电站抗撞性能的影响,采用线性弹簧近似模拟土对桩柱的作用,并基于m法计算土弹簧的刚度,建立桩土相互作用有限元模型,计算出考虑桩土效应时风电站受撞后的动力响应,分析并讨论了地基刚度对海上风电站抗撞性能的影响。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
主要符号说明  11-12
第一章绪论  12-26
  1.1 立题背景及研究意义  12-13
  1.2 船舶碰撞的国内外研究进展  13-16
    1.2.1 外部碰撞动力学机理  13-14
    1.2.2 内部碰撞动力学机理  14-16
  1.3 船舶与海上风电站碰撞的研究进展  16-17
  1.4 海上风电场介绍  17-24
    1.4.1 海上风电场的发展  17-20
    1.4.2 海上风电站的结构  20-24
  1.5 本文的主要研究内容及创新点  24-26
    1.5.1 本文的主要研究内容  25
    1.5.2 本文的创新点  25-26
第二章非线性有限元的数值方法  26-45
  2.1 显式有限元的发展  26-28
  2.2 MSC.Dytran 程序介绍  28-29
  2.3 拉格朗日方法中的控制方程  29-32
  2.4 碰撞运动方程的求解方法  32-34
  2.5 显式积分的时步控制  34-35
  2.6 考虑应变率影响的材料模型  35-37
  2.7 接触与摩擦算法  37-40
  2.8 材料的失效准则  40-41
  2.9 有限元仿真中用到的单元类型  41-44
  2.10 本章小结  44-45
第三章船舶侧向撞击海上风电站的数值仿真  45-57
  3.1 碰撞场景  45-46
  3.2 模型的建立  46-48
    3.2.1 结构描述  46
    3.2.2 模型的简化  46-48
  3.3 边界条件  48
  3.4 附连水质量法  48-49
  3.5 接触的定义  49
  3.6 仿真结果  49-56
    3.6.1 风电站应力应变云图  49-52
    3.6.2 塔架上剪力与弯矩分布  52-53
    3.6.3 抗撞性能曲线及数据  53-56
  3.7 本章小结  56-57
第四章集装箱船艏撞击海上风电站的数值仿真  57-67
  4.1 碰撞数值仿真  57-59
    4.1.1 风电站与船艏结构  57-58
    4.1.2 结构模型化  58-59
  4.2 仿真结果  59-65
    4.2.1 风电站及船艏结构损伤  59-64
    4.2.2 抗撞性能曲线  64-65
  4.3 本章小结  65-67
第五章桩土效应对海上风电站抗撞性能的影响  67-83
  5.1 土-结构动力相互作用问题的研究方法  67-68
  5.2 m 法计算土弹簧刚度  68-72
  5.3 模型简化及计算工况  72-74
  5.4 结果分析  74-82
    5.4.1 应力及变形  74-77
    5.4.2 抗撞性能曲线及数据  77-82
  5.5 本章小结  82-83
第六章总结与展望  83-86
  6.1 主要研究工作总结与结论  83-84
  6.2 进一步的研究工作展望  84-86
参考文献  86-91
致谢  91-92
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  92-95
上海交通大学学位论文答辩决议书  95

船舶与海上风电站碰撞的数值仿真研究

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