船舶與海上風(fēng)電站碰撞的數(shù)值仿真研究.pdf

1、自上世紀(jì)70年代世界石油危機(jī)以來(lái)，風(fēng)能作為一種可再生清潔能源和替代能源受到了世界各國(guó)的關(guān)注。在歐洲，海上風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)階段，德國(guó)、丹麥、瑞典等國(guó)已建成20多座海上風(fēng)電場(chǎng)。這些風(fēng)電場(chǎng)靠近繁忙的航道，隨著風(fēng)電場(chǎng)的日益增多，風(fēng)電站遭受過(guò)往船舶撞擊的概率隨之增大。近年來(lái)，我國(guó)東南沿海風(fēng)電事業(yè)也在蓬勃發(fā)展中。雖然我國(guó)目前的風(fēng)電場(chǎng)多是建在岸邊和灘涂上，但是，隨著電能需求的不斷增加和海岸線(xiàn)的有限，我國(guó)的風(fēng)電事業(yè)必然會(huì)向近海發(fā)展，

2、隨之而來(lái)的是風(fēng)電站遭受船舶撞擊的概率將不斷增加。因此，針對(duì)海上風(fēng)電站的結(jié)構(gòu)抗撞性研究，是一項(xiàng)前瞻性研究，該項(xiàng)研究可為我國(guó)未來(lái)安全利用海洋風(fēng)能提供一定的技術(shù)支撐，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。研究船舶碰撞問(wèn)題的方法多種多樣，有解析法、試驗(yàn)法、有限元法等。而船舶與海上風(fēng)電站的碰撞問(wèn)題是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的課題，碰撞過(guò)程受諸多因素的影響。有限元數(shù)值仿真技術(shù)是一項(xiàng)已經(jīng)在船舶碰撞領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并得到試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)。它可以解決各種復(fù)雜條件下的碰撞問(wèn)

3、題，獲得可靠的結(jié)果。本文應(yīng)用基于該技術(shù)的非線(xiàn)性有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析程序MSC.Dytran對(duì)風(fēng)電站結(jié)構(gòu)抗撞特性進(jìn)行了研究，得到了風(fēng)電站的結(jié)構(gòu)損傷特性、碰撞力-撞深曲線(xiàn)、能量轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)及其它相關(guān)數(shù)據(jù)，并從這些數(shù)據(jù)中得到了許多有意義的結(jié)論。首先，本文從船舶碰撞的內(nèi)部和外部機(jī)理方面對(duì)船舶碰撞問(wèn)題的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納和總結(jié)，介紹了研究船舶碰撞問(wèn)題的各種理論和方法，分析了海上風(fēng)電業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和前景。其次，總結(jié)了非線(xiàn)性有限元數(shù)值仿真中所涉及的基本理論和

4、關(guān)鍵技術(shù)。討論了顯式有限元的發(fā)展，總結(jié)、回顧了基于有限元法求解船舶碰撞問(wèn)題的控制方程及其求解方法，討論了顯式時(shí)間積分步長(zhǎng)的控制方法，闡述了碰撞響應(yīng)過(guò)程中金屬材料的動(dòng)力特性和本構(gòu)模型，介紹了有限元仿真中所依據(jù)的失效準(zhǔn)則，分析了接觸碰撞界面的主要算法及摩擦力的計(jì)算問(wèn)題，并詳細(xì)討論了有限元法解決碰撞問(wèn)題用到的單元類(lèi)型及其選取方法。再次，海上風(fēng)力發(fā)電是新興行業(yè)，國(guó)內(nèi)有關(guān)海上風(fēng)電的研究尚處于起步階段，本文在國(guó)內(nèi)首次對(duì)海上風(fēng)電站的抗撞性能進(jìn)行了有限

5、元數(shù)值仿真研究。利用非線(xiàn)性有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析程序MSC.Dytran模擬了一艘5000噸船舶以不同速度側(cè)向撞擊海上風(fēng)電站的動(dòng)態(tài)過(guò)程，得到了風(fēng)電站的結(jié)構(gòu)損傷特性、碰撞力-撞深曲線(xiàn)、能量轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)及其它相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，分析了風(fēng)電站的結(jié)構(gòu)抗撞特性，并對(duì)撞擊過(guò)程中風(fēng)電站的結(jié)構(gòu)變形特征以及撞擊能量對(duì)風(fēng)電站結(jié)構(gòu)損傷的影響程度進(jìn)行了探討。此外，運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)一導(dǎo)管架式海上風(fēng)電站遭遇一3100TEU集裝箱船艏撞擊的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬