海洋風電支撐結構的隨機性動力優(yōu)化設計.pdf

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

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

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

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、兩種風機工況組合下總計12種工況下的最大應力、最大位移響應并進行對比分析。
　　2.三腳架支撐結構的優(yōu)化模型分析
　　基于試驗設計的方法,采用正交試驗進行三腳架支撐結構設計參數(shù)的靈敏性分析,確定三腳架優(yōu)化中權重較大的輸入值: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)拉丁超立方設計構造近似模型,也就是通過數(shù)學模型模擬三腳架結構尺寸

5、參數(shù)輸入值和結構最大位移、最大應力等輸出值之間的關系,用數(shù)值計算取代有限元計算,為三腳架支撐結構的優(yōu)化提供穩(wěn)定高效的迭代環(huán)境。
　　3.三腳架支撐結構的隨機性動力優(yōu)化設計
　　探討了三腳架結構的隨機性動力優(yōu)化設計,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合的方式對三腳架支撐結構進行優(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構成本,科學的兼顧了支撐結構經濟性和安全性的雙重需求,克服了傳統(tǒng)的支撐結構確定性優(yōu)化設計方案可靠度不足的問題。
　　研究通過對三腳架支撐結構進行有限元建模,給出了結構的力學特性及其動力響應;引入大質量法施加地震載荷,合理的考慮了海洋風電在地震波作用下的響應;通過構造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;通過隨機動力優(yōu)化設計研究,充分考慮了由于結構尺寸、材料、環(huán)境載荷等