海上风机基础结构管节点应力集中系数研究

摘要

风能是一种既清洁又安全的可再生绿色能源。我国海上有着丰富的风能资源，目前海上风能的大规模开发还存在着诸多挑战。我国海上风机多推荐采用多桩基础结构型式，海上风机基础结构不仅受到波流荷载的作用，更受到顶部风机空气动力荷载的长期作用，从而导致结构发生疲劳损伤。结构的疲劳破坏往往从节点开始，管节点的疲劳损伤是引起结构整体失效破坏的最薄弱环节。
　　本文针对海上风机的多桩基础结构，确定了管节点的类型。利用有限元分析软件ANSYS，开展了管节点应力集中系数SCF的研究。完成的主要工作包括:
　　(1)基于空间几何理论，针对弦杆和撑杆，分别推导得到焊趾和焊跟的空间曲线方程。并利用MATLAB，编写了计算程序。
　　(2)分别利用壳单元和实体单元对一简单K型管节点建立有限元模型，计算得到该管节点沿焊缝周向的应力集中因子。数值计算结果与实验结果进行对比，确定采用实体单元进行管节点热点应力的研究。
　　(3)针对实际三桩和五桩海上风机基础结构，开展疲劳工况下荷载组合分析，确定平面K/Y型管节点和多平面Y型管节点分别在轴力、面内弯矩和面外弯矩作用下的多种加载方式。
　　(4)根据海上风机实际结构的几何参数，确定平面管节点的计算工况，采用实体单元，建立平面K/Y型管节点有限元模型，开展不同加载方式下的数值计算，得到SCF沿弦杆和撑杆焊缝的分布。探讨了管节点几何参数α、βA、βB、θA、θB对SCF的影响。并将SCF的数值计算结果与DNV-RP-C203规范的计算结果进行了对比。
　　(5)根据海上风机实际结构的几何参数，分布确定三平面和五平面Y型管节点的计算工况，采用实体单元，建立多平面Y型管节点有限元模型，开展不同加载方式下的数值计算，得到SCF沿弦杆和撑杆焊缝的分布。探讨了多平面Y型管节点几何参数α、β、γ、τ对SCF的影响。并将SCF的数值计算结果与DNV-RP-C203规范中平面Y型管节点的计算结果进行了对比。