海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性動力優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、海洋風(fēng)電作為風(fēng)能開發(fā)的裝備,其結(jié)構(gòu)動力特性復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,隨機(jī)性因素使得其在安裝、運輸和安全等方面存在諸多挑戰(zhàn)。
　　海洋風(fēng)電固定式支撐結(jié)構(gòu)是連接泥面以下樁腿和水面以上塔柱及與其相連的風(fēng)機(jī)、葉片的過渡結(jié)構(gòu),是海洋風(fēng)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部位之一。它支撐整個工作風(fēng)機(jī)的重量并傳遞其載荷,且承受風(fēng)、浪、流、地震等載荷。此外,由于風(fēng)電機(jī)組的零部件幾乎全部安裝在塔架上,一旦發(fā)生傾斜倒塌,往往造成整個風(fēng)電機(jī)組的毀滅性損失。因此海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)研究是

2、海洋風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵點,亟待細(xì)化深入研究。
　　海洋風(fēng)電固定式支撐結(jié)構(gòu)主要存在兩個問題,一個是成本問題,一個是安全可靠性問題。即在確保結(jié)構(gòu)安全性前提下,對其進(jìn)行降低成本的優(yōu)化設(shè)計。海洋環(huán)境復(fù)雜多變,同時支撐結(jié)構(gòu)在材料、尺寸、載荷等方面具有隨機(jī)性,由此導(dǎo)致設(shè)計分析結(jié)果的不確定性,因此傳統(tǒng)的確定性優(yōu)化在實際工程存在不足。本研究采用隨機(jī)性優(yōu)化設(shè)計方法,使得海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計結(jié)果更加安全可靠。
　　研究基于海洋風(fēng)電在風(fēng)、浪、流、地

3、震等載荷作用下的動力隨機(jī)性優(yōu)化問題,主要內(nèi)容如下:
　　1.海洋環(huán)境下風(fēng)電結(jié)構(gòu)動力分析
　　分析風(fēng)電結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的受載情況。分析海洋風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)主要載荷:風(fēng)機(jī)對結(jié)構(gòu)作用載荷;風(fēng)沿塔架的分布載荷;波、浪、流作用載荷;地震波載荷。將復(fù)雜載荷組合加載于有限元模型進(jìn)行動力分析:模態(tài)分析確定風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率以避開葉片通過頻率和風(fēng)機(jī)頻率;時域分析給出了風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)正常工作時的最大應(yīng)力、最大位移響應(yīng),以及地震載荷作用下的位移響應(yīng)

4、,并以此作為優(yōu)化的約束條件;時域分析同時給出了在極端湍流情況下,三個地區(qū),兩種海況、兩種風(fēng)機(jī)工況組合下總計12種工況下的最大應(yīng)力、最大位移響應(yīng)并進(jìn)行對比分析。
　　2.三腳架支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型分析
　　基于試驗設(shè)計的方法,采用正交試驗進(jìn)行三腳架支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的靈敏性分析,確定三腳架優(yōu)化中權(quán)重較大的輸入值:水下中心柱的厚度、樁腿直徑、樁腿厚度、斜撐直徑;采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計構(gòu)造近似模型,也就是通過數(shù)學(xué)模型模擬三腳架結(jié)構(gòu)尺寸

5、參數(shù)輸入值和結(jié)構(gòu)最大位移、最大應(yīng)力等輸出值之間的關(guān)系,用數(shù)值計算取代有限元計算,為三腳架支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供穩(wěn)定高效的迭代環(huán)境。
　　3.三腳架支撐結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性動力優(yōu)化設(shè)計
　　探討了三腳架結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性動力優(yōu)化設(shè)計,采用外部罰函數(shù)的數(shù)值優(yōu)化方法和多島遺傳算法的全局搜索方法相結(jié)合的方式對三腳架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。運用單循環(huán)的可靠度優(yōu)化方法降低了優(yōu)化迭代次數(shù),所用的優(yōu)化策略顯著提高了運算效率,得到的三腳架優(yōu)化設(shè)計方案在滿足一定可靠度

6、的前提下最大限度的降低了支撐結(jié)構(gòu)成本,科學(xué)的兼顧了支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性的雙重需求,克服了傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)確定性優(yōu)化設(shè)計方案可靠度不足的問題。
　　研究通過對三腳架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模,給出了結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及其動力響應(yīng);引入大質(zhì)量法施加地震載荷,合理的考慮了海洋風(fēng)電在地震波作用下的響應(yīng);通過構(gòu)造Kriging模型取代有限元模型大大減少優(yōu)化時間并且提高了優(yōu)化的穩(wěn)定性;通過隨機(jī)動力優(yōu)化設(shè)計研究,充分考慮了由于結(jié)構(gòu)尺寸、材料、環(huán)境載荷等