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風能作為一種極具競爭力的可再生綠色能源，經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，風力發(fā)電在世界范圍內得到廣泛應用。海上風力發(fā)電場是風能研究的成果之一，海上風力發(fā)電場的安裝由風電機組安裝船實施。風電機組安裝船是一種自升自航式工程船，由船體、推進器、樁腿和升降裝置等幾個部分組成，既能自航，又能定位。風電機組安裝船不同于自升式平臺，因為它克服了自升式平臺不能自航的缺陷，航行和就位不需要拖輪輔助，機動靈活。同時，風電機組安裝船也不同于一般的自航式船，它克服了漂浮式工程船工作不穩(wěn)定的缺點，海上作業(yè)時，樁腿站立于海底，船體升到水面以上，工作非常穩(wěn)定。風電機組安裝船作業(yè)時，船體和樁腿受到風、浪、流環(huán)境載荷沖擊。環(huán)境載荷通過樁腿、樁靴傳遞給地基。樁腿結構對風電機組安裝船的安全有至關重要的作用，研究樁腿的受力有限元分析具有重要意義。
本文研究對象是擬為東海風電場實際工程項目服務的風電機組安裝船。全船配置四個樁腿，為獨立小樁靴型式，通過滑輪升降裝置提升和下放樁腿。正常作業(yè)時，樁腿通過預壓插入泥中，起定位作用;船體未升離水面，保持一定吃水。此種操作狀態(tài)下，在水平方向，當海上風浪較大時，船體會受到相當大的波浪沖擊力，此載荷完全傳遞給樁腿。樁腿的結構設計是否安全，需要通過樁腿的強度分析來校核。本文的研究內容有兩部分：一是應用經(jīng)驗公式計算風、流載荷，基于三維勢流理論計算波浪載荷，并將得到的環(huán)境載荷分配給四個樁腿，得到單個樁腿外載荷；二是應用MSC.PATRAN NASTRAN，軟件建立單樁結構有限元模型，選取兩種作業(yè)工況，分別確定邊界條件及載荷，對樁腿作強度分析。
計算工況取風浪流同向且方向角為9090時的最危險狀態(tài)。兩種工況如下：風浪流同向船舶正浮狀態(tài)；考慮起重設備偏載狀態(tài)。作用在船體上的風載荷按下式進行計算。對于小尺度的結構物，波浪力計算采用Morison公式；對于大尺度結構物(如船體或浮式平臺)，波浪載荷可用切片理論或三維勢流理論，來進行計算。隨著計算機技術及數(shù)值計算方法的發(fā)展，基于三維勢流理論已經(jīng)開發(fā)了很多計算程序，并已被廣泛應用于船舶與海洋工程。本船的波浪力計算濕表面模型如圖所示，模型由船殼濕表面和地表面至船底之間樁腿外殼組成。船體和樁腿外殼均采用板單元模擬。邊界條件為樁腿底部鉸支。模型坐標系統(tǒng)采用右手坐標系，坐標原點位于船艦底部中線處，x軸向船舷為正，Y軸向左舷為正，z軸向上為正。本船在橫浪時所受波浪載荷的幅值響應算子如圖所示。譜峰參數(shù)Y=2.8。有義波高為2.3m，平均周期為5.3s，其譜密度曲線見圖。從而可得作業(yè)狀態(tài)船舶橫浪時波浪載荷的譜密度函數(shù)，并計算其方差了。短期預報是指統(tǒng)計時間在半小時到數(shù)小時之間海洋結構的響應預報，大量的實踐表明，短期海況的波浪幅值與海洋結構物運動響應幅值服從Rayleigh分布。
強度分析對象為單個獨立樁腿，不考慮樁腿之間相互作用的影響。模型中樁腿樁靴外板為shell板單元，板厚為24mm，內側的加強筋構件beam梁單元截面為26mmx350mm。有限元模型如圖所示，風電機組安裝船樁腿為獨立樁靴形式，正常作業(yè)前，樁腿要預壓入土，插深一般為3-5m，計算時取樁腿插深為5m。入泥部分樁腿與地基之間存在間隙，因此有限元計算邊界條件取樁腿底部為鉸支，即固定樁腿底部的節(jié)點位移。
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