船舶與海上風電站碰撞的數值仿真研究.pdf

1、自上世紀70年代世界石油危機以來，風能作為一種可再生清潔能源和替代能源受到了世界各國的關注。在歐洲，海上風電技術日趨成熟，已經進入大規(guī)模開發(fā)階段，德國、丹麥、瑞典等國已建成20多座海上風電場。這些風電場靠近繁忙的航道，隨著風電場的日益增多，風電站遭受過往船舶撞擊的概率隨之增大。近年來，我國東南沿海風電事業(yè)也在蓬勃發(fā)展中。雖然我國目前的風電場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的有限，我國的風電事業(yè)必然會向近海發(fā)展，

2、隨之而來的是風電站遭受船舶撞擊的概率將不斷增加。因此，針對海上風電站的結構抗撞性研究，是一項前瞻性研究，該項研究可為我國未來安全利用海洋風能提供一定的技術支撐，具有重要的現實意義和工程應用價值。研究船舶碰撞問題的方法多種多樣，有解析法、試驗法、有限元法等。而船舶與海上風電站的碰撞問題是一個相當復雜的課題，碰撞過程受諸多因素的影響。有限元數值仿真技術是一項已經在船舶碰撞領域得到廣泛應用并得到試驗驗證的技術。它可以解決各種復雜條件下的碰撞問

3、題，獲得可靠的結果。本文應用基于該技術的非線性有限元動態(tài)響應分析程序MSC.Dytran對風電站結構抗撞特性進行了研究，得到了風電站的結構損傷特性、碰撞力-撞深曲線、能量轉化曲線及其它相關數據，并從這些數據中得到了許多有意義的結論。首先，本文從船舶碰撞的內部和外部機理方面對船舶碰撞問題的研究進展進行了歸納和總結，介紹了研究船舶碰撞問題的各種理論和方法，分析了海上風電業(yè)發(fā)展的趨勢和前景。其次，總結了非線性有限元數值仿真中所涉及的基本理論和

4、關鍵技術。討論了顯式有限元的發(fā)展，總結、回顧了基于有限元法求解船舶碰撞問題的控制方程及其求解方法，討論了顯式時間積分步長的控制方法，闡述了碰撞響應過程中金屬材料的動力特性和本構模型，介紹了有限元仿真中所依據的失效準則，分析了接觸碰撞界面的主要算法及摩擦力的計算問題，并詳細討論了有限元法解決碰撞問題用到的單元類型及其選取方法。再次，海上風力發(fā)電是新興行業(yè)，國內有關海上風電的研究尚處于起步階段，本文在國內首次對海上風電站的抗撞性能進行了有限

5、元數值仿真研究。利用非線性有限元動態(tài)響應分析程序MSC.Dytran模擬了一艘5000噸船舶以不同速度側向撞擊海上風電站的動態(tài)過程，得到了風電站的結構損傷特性、碰撞力-撞深曲線、能量轉化曲線及其它相關數據。根據數值仿真計算結果，分析了風電站的結構抗撞特性，并對撞擊過程中風電站的結構變形特征以及撞擊能量對風電站結構損傷的影響程度進行了探討。此外，運用數值仿真技術，對一導管架式海上風電站遭遇一3100TEU集裝箱船艏撞擊的動態(tài)過程進行了模擬