毕业设计（论文）-基于SPAR浮式风电支撑结构及系泊系统设计.doc

基于Spar浮式风电支撑结构及系泊系统设计目 录第1章绪论41.1选题的背景及其意义41.2海上浮式风电发展基础51.3国内外研究现状81.4设计任务10第2章环境条件与设计依据112.1平台用途与功能112.2设计任务112.3环境条件112.3.1设计环境标准112.3.2平台的运动坐标与环境条件方向的关系122.3.3使用年限122.3.4风机参数122.4工况选择142.5参考规范142.6所用软件14第3章平台的结构型式和主尺度153.1平台概念及其结构形式153.2平台主尺度的确定153.2.1排水量的估算153.2.2平台干舷的确定163.2.3平台外径及其吃水的确定163.3风机支撑塔的确定163.4舱室划分19第4章平台的主体结构设计204.1平台材料204.2平台主体内外板参数的确定204.2.1板厚的确定204.2.2内外板详细参数的确定224.3主体结构骨材的确定224.3.1骨材尺寸224.3.2骨材自身稳定性校核234.3.3骨材间距的确定244.3.4骨材详细参数的确定254.4结构压载参数274.5系泊材料的确定274.6小结284.6.1系统质量及其质心坐标284.6.2系统转动惯量28第5章结构强度分析305.1ANSYS相关单元介绍305.1.1质量单元 Mass21305.1.2壳单元 Shell181305.1.3单元分配315.2建模315.2.1定义单元和单元实常数315.2.2添加材料属性325.2.3使用ANSYS建模中的圆锥建立2个体并将其合并为一个335.3生成有限元模型345.4施加约束，求解355.4.1添加位移约束355.4.2添加风机时程力365.4.3添加静水压力375.4.4添加重力加速度385.5强度校核40第6章AQWA软件介绍416.1AQWA概述416.2AQWA基本理论426.3AQWA模块介绍426.3.1AQWA-LINE模块426.3.2AQWA-LIBRIUM模块436.3.3AQWA-DRIFT模块436.3.4AQWA-NAUT模块446.4AQWA计算步骤44第7章仿真模型的建立和初步仿真467.1仿真模型的建立467.1.1Deck0-全局控制467.1.2Deck1-定义节点坐标467.1.3Dec2-单元定义467.1.4Dec3和Deck4-定义材料参数477.1.5Deck5-定义全局变量477.1.6Deck6-定义波浪入射参数477.2频域水动力分析477.2.1RAO曲线487.2.2一阶波浪力497.2.3二阶平均漂移力507.3时域分析参数517.3.1风、流系数517.3.2锚链参数517.4时域水动力分析527.4.1模型的运动响应537.4.2锚链的运动响应54第8章锚链系统的优化配置558.1优化标准558.2优化分析558.3系泊系统的优化配置方案62第9章总结与展望649.1总结649.2展望64参考文献65第1章 绪论1.1 选题的背景及其意义随着全球经济的发展，各国对能源的需求日益增大,能源的过度消耗导致统化石能源的日益竭尽，全球能源结构发生明显变化。在人们寻求新型能源时，风能作为一种清洁的可再生绿色能源逐渐走进了人们的生活。风力发电作为一项成熟的风能利用技术，被各国大量采用。但由于受到土地利用、噪声污染、电磁波干扰、电网规模等条件限制，陆上风电的实际可开发量非常有限，于是人们逐渐把目光瞄向了海洋。近年来随着海上风电设备的技术开发和产能的日益提高，各国大举开发海上风电的时代已经来临。自20世纪90年代以来，全球海上风电已经经历了几十年的探索，2008年以后，欧洲多数国家均已在大力发展海上风电产业，英国、德国、丹麦等风力发展先进的国家更是已经把风力发展的重心由陆地转移到海上。据欧洲风能协会预测，预计到2020年欧洲海上风电总装机容量将达到7000万千瓦全球风能理事会. 全球风电市场发展报告2012. 2013（4）：32-36。我国有着广阔的海洋空间和丰富的海上风能资源，具有良好的风电市场和巨大资源潜力。根据中国风能协会统计，截止到2012年底，我国风电并网装机规模已经超越美国，跃居全球第一，而海上风电装机总量也已经达到389.6MW，海上风电并网装机容量位于英国、丹麦之后，位居全球第三。如表1-1给出了2011年世界主要风电大国海上风电装机情况。表 11全球各国累计海上风电装机量国家2011年（兆瓦）总累计（兆瓦）国家2011年（兆瓦）总累计(兆瓦)英国752.42093.7瑞典0163.7丹麦3.6857.28芬兰026.3中国99.3258.4爱尔兰025.2荷兰0246.8日本025.0德国108.3200.3挪威02.3比利时0195.0葡萄牙2.02.0但随着近年来国内外近海风电场的迅速发展，近海风电开发所带来的各种弊端也逐一被暴露，主要表现有：1近海风电场的建设不利于其它近海资源的开发利用以及船舶的航行。2随着生活品质的不断提高，人们对环境要求也越发苛刻。近海风电开采所带的水、噪音等污染问题已被国外相关环境保护者指出，且他们要求的海上风电场应建立在远离海岸线30-50公里外的要求也已受到了相关部门的重视。出于各种影响因素以及海洋工程技术的发展，对于未来海上风电场的建设，人们必将把目光瞄向更深的海域。而深海风电的开发使得固定式的风电基础随着水深的加深越发不经济，很难得到大规模发展，浮式风电系统在此种情况下应运而生。目前在浮式风机技术方面，英国、挪威和美国已在理论和实践中积累了一定的经验成果，完成了多种概念机设计并制造安放了几种型式的工程样机赵静，张亮，等. 模型试验技术在海上浮式风电开采中的应用.中国电力，2011，44（9）：55-60。但这几种典型样机均借助于海洋工程的已有经验，分别设计成Spar型、半潜型，就目前海上风电产业而言，各国并没有对采用哪种型式形成共识，浮式风电的大规模发展仍存有漫长的道路。图 11 海上风能分布图1.2 海上浮式风电发展基础目前，海上风机一般安装在水深30米以下的沿岸浅水海域，推广使用风机基础均为固定式基础结构。一般海上风机固定式基础的结构形式主要分为为：单桩式、多桩式、三角架式、沉箱式基础、导管架式等，如图 12所示：图 12 海上风机固定式基础海上风机浮式基础与固定式基础比较，具有如下优点：（1）浮式基础安装在30米到数百米的海域，可采用5MW乃至10MW的大风机，提高风电场发电量；（2）固定式风机基础底部弯矩和倾覆力矩很大，随水深增加塔柱直径增加很快，锚固困难；浮式基础几乎不存在海底弯矩，可以降低基础结构的造价；（3）风机浮式基础锚泊定位，便于拆除，可以迁移安装在风能更丰富的较深海域，不一定局限在面积有限的浅水大陆架；（4）采用集成结构，不需要对每个工程项目重新设计塔柱和基础的连接，这种结构形式也便于安装，可以简化海上安装程序。目前海上风机浮式基础的研究尚处于初步阶段，浮式基础主要借鉴深海石油开采平台。海上风机浮式基础结构型式主要分为：Spar结构基础，TLP结构和半潜式结构基础等几种型式，目前均属于概念方案，也有其它比较新颖的浮式基础出现。图 13所示为风机浮式基础型式，从左至右依次为Spar型、TLP型和半潜式基础。图 13 海上浮式基础如图 14所示，三种浮式基础结构的组成分别为：（1）Spar型浮式基础由浮力舱、压载舱、系泊线及锚固基础4个部分组成，系泊线可以采用锚链或者张紧的尼龙缆；（2）TLP型浮式基础主要由圆柱形的中央柱、提供浮力的浮筒、系泊的张力筋腱和锚固基础组成，通过张力筋腱固定在海底和保持整个风机结构的稳定。海底采用桩基或者吸力式基础；（3）半潜式基础主要由立柱、横梁、斜撑、压水板、系泊线和锚固基础组成。依靠自身重力和浮力的平衡以及悬链线系泊来保证整个风机系统的稳定。图 14 三种浮式基础的结构组成浮式基础的受力十分复杂，承受的载荷种类包括：（1）重力载荷：结构设备自重、甲板上浪；（2）环境载荷：波浪荷载、海流载荷、风载荷；（3）风机运行荷载：叶片水平推力、转矩、偏航系统力；（4）浮式基础运动诱导的惯性载荷；（5）系泊系统的回复力；（6）漂流物撞击、船舶碰撞等偶然载荷；（7）锚固基础与土壤之间的相互作用力：渗流与冲刷。为了有效预报浮式基础的运动，必须准确计算浮式基础载荷的大小、作用位置和随时间的变化规律。除了自重以外，这些力之间的相互影响，大小随基础运动状态、风机和叶片转动而变化。这是建立分析模型时需要考虑的关键问题。1.3 国内外研究现状随着海洋资源开发越来越受到各国的重视，对于海上平台，海上风电的研究也日益成为人们研究的热点，目前国内外对海上浮式风电、深海采油平台系泊系统的研究现状为：2008年张素侠,唐友刚等人采用针对海洋平台的Spar结构系泊系统，应用应力波理论分析了缆绳内水平张力、波数、缆索坐标等参数对缆绳内应力波传播特性的影响,并且计算得到了缆绳在松弛、松弛-张紧和张紧三种状态下缆绳的运动和张力，比较分析了缆绳三种运动状态的区别，发现三种状态下，缆绳结构的运动特点、最大张力以及对结构的破坏程度均有所不同。在此基础上对平台浮体和系泊系统进行了耦合分析，得到了缆绳的力与外界环境荷载的部分关系并通过实验验证了系缆张力随端点激励频率和激励幅值、缆绳刚度、缆绳直径、缆绳弹性模量的增大而增大，随缆绳长度的增大而减小的结论，且通过模型实验对系缆的冲击张力进行了部分研究。2010年阮胜福、唐友刚等人以一座 600KW 水平轴风电机为模型，从减小浮式基础运动的角度出发，详细设计了塔柱、半潜式基础以及系泊系统。利用SESAM软件建立了纤细的有限元模型，借鉴深海平台计算风力的方法，应用 Morison 公式和线性势流理论计算基础的波浪力，充分考虑电机-塔柱-浮式基础与细缆之间的耦合作用，计算了浮式风电系统在紊动风，定常流以及不规则波浪联合作用下的动力响应，分析浮式风电系统的动态运动和系缆张力，并提出了优化建议，对海上风机系统进行了频域分析和时域分析。2011年李溢涵、唐友刚等人以NREL的海上5MW风机为基础，综合驳船和Spar平台的特点，概念性地设计了一种海上风机Spar型浮式基础，并且考虑风机与基础的整体模型、系泊系统与基础之间的耦合作用，研究了结构在规则波中的运动响应，分别分析了系泊系统的回复力和波面升高对垂荡和纵摇耦合运动的影响，运用SESAM 中Deep C模块对海上风机的整体模型进行了时域分析。2011年张亮，吴海涛等人在哈尔滨工程大学船模水池以5MW风力机为模型按照不同模型缩尺比设计了三种类型的浮式基础结构，采用定常载荷模拟风机气动荷载，弹簧悬链线模拟系泊系统的研究方法，分别对三种结构类型进行了实验和仿真计算，分别对比了不同结构在不同波浪形式作用下结构的垂荡纵荡等动力响应。2012年林诚鑫，黄维等人研究了在循环载荷作用下，合成纤维系缆的应力应变关系，指出了非线性特性系泊缆绳的动力响应的影响。得到一个粘弹性粘塑性模型来描述合成纤维系缆的应力应变关系，能够反映合成纤维缆绳的时间变化特性以及在整个加载卸载过程中的刚度变化；提出了明确的参数确定方法及步骤，基于简单的蠕变实验可以确定模型的各个参数。且通过将两种载荷条件下聚酯缆绳的实验结果与模型结果进行对比，证明了模型的有效性和可靠性。2012年杨建明等人以NREL的5MW风机的环境条件为基础，设计了一种新型的TLP基础结构（Windstar TLP），依照IEC-61400-3的要求参照aero-hydro-servo-elastic的耦合条件对结构进行了时域分析，证实了设计的可行性，但此次实验并没有对系泊系统进行验证，没有对结构的强度进行计算，数值实验结果没有进行实验对比验证。2009年美国加州大学伯克利分校的Dominique Roddier 等人针对美国的Windfloat结构的进行了可行性研究分析，对海上风电浮式基础的典型形式进行了总结，列出了浮式基础的设计依据、规范要求等，并提出未来的研究重点需要放在空气动力学与水动力学的耦合分析以及塔柱与浮式基础的连接方式等问题上。2009年英国纽卡斯尔大学 Kurt Delpeche 等人针对一个用于风力发电和波浪发电的环形浮式结构，设计了一个实体模型,并且在规则波作用下两种不同工作状态下测点结构的动力参数和系泊力。并且理论推导了环形结构的附加质量和阻尼，建立了系统运动方程，对结构进行了数值计算，进而与实验测得数据进行对比,分析了系统在风浪流作用下的运动响应和系缆张力。2011年日本国家海洋研究所的Toshiki 等人以小比例的 Spar 模型为基础在有水池的风洞中测试了两种生存状况下，结构的动力响应，并且测试了系泊点位置对模型运动响应的影响。最后以一大比例模型，试验了纵摇控制器对控制模型纵摇的响应、系泊点位置对首摇运动的影响。2012年挪威的Madjid Karimirad, Torgeir Moan等人以Hywind为模型，研究了一种空气动力的简化方法用以保证计算准确度的前提下减小计算时间。且指出了悬链线系泊系统的预张力特性和系泊的一般设计原则：应当使浮体运动和变形频率避开风浪的激励频率，指出了系泊系统的刚度与导缆孔的位置，水深，锚链长度，锚链弹性，悬挂重量以及浮体的浮力的关系。并且通过时域分析的方法计算了两种不同水深SPAR结构在各种环境载荷作用下基础结构的响应情况，指出了中浅水Spar的优势和可行性。2012年英国的Simon Lefebvre, Maurizio Collu等人介绍悬链线，绷紧式，压载式三种不同系泊方式的优缺点，指出浅水区域绷紧式系泊系统是最佳方式。比较三根系缆和九根系缆的在三浮体框架式结构中的系缆张力和基础运动情况，指出在性能上后者稍优于前者，但造价几乎是前者的两倍。指出一般的浮式风电适合三根系缆的锚泊方式。最后文章对详细的介绍了浮式风机的七种设计，通过计算回复力矩和和结构自振频率，选出了最适合的设计，并且针对其进行了水静力和水动力计算，进行了结构优化。2012年挪威的Matthias Brommundt，Ludwig Krause等人对悬链线系泊系统的设计进行了详细的介绍，并指出了一种一般的设计准则，然后在规定的条件下，采用频域法分析计算，在保证结构安全的前提下，通过对锚链的水平长度，总长度，锚链尺寸，锚链之间的角度等参数的改变对系泊系统的进行了优化设计，达到减少系泊长度和系泊系统的成本的。从上面的介绍可以看出国内外学者对于海洋采油平台和固定式海上风电均已经做了相当的研究取得了大量成果，但相比较于采油平台和固定式风电，海上浮式风电的发展则相对较晚，近几年国内学者的研究主要着重于基础结构的选择和优化，对于系泊系统的研究相对较少。而对于系泊系统的研究也只是着重于对于传统的海洋工程浮式平台的系泊系统。然而不同于海洋采油平台，浮式风电体积小，重量轻，水深相对较浅，而且系泊系统与结构之间的耦合作用更强，系缆对结构的响应作用更加明显，对设计的经济要求更敏感。目前虽然国外已有部分学者对其做了一定的研究，但研究的内容不够全面，而国内对于海上浮式风电系泊系统的研究则仍处于初步阶段。因此研究浮式风电系泊系统的优化是一个新的课题，为以后海上浮式风电系泊系统的建设具有现实的指导意义。1.4 设计任务浮式风电支撑结构物设计在国内算是一个刚起步的领域，很多设计细节和关键技术有待研究和探讨。本文主要工作是以东海某海域的自然环境条件为设计依据，论述了该环境条件情况下SPAR平台的设计过程，包括SPAR主尺度、构件尺寸,舱室布置，系泊系统的确定，利用AQWA软件建立SPAR模型，对其进行水动力分析，得到主要水动力参数（RAO、附加质量及附加阻尼），以及静水力强度校核等几个方面。第2章 环境条件与设计依据2.1 平台用途与功能此Spar平台为适用于近海海洋环境条件的浮式风电基础平台，包括上部甲板、主体结构和系泊系统等组成部分。Spar平台具有单层甲板并可支撑位于海平面以上90米处的5MW风机及其支撑塔所传递的载荷。2.2 设计任务针对东海海域环境条件，按照DNV规范设计某种类型的Spar平台， 能够在使用年限内，保证风机的正常运行。2.3 环境条件2.3.1 设计环境标准参考东海海域的环境条件，结合具体的工程要求，选定设计环境条件如下：平均水深：100 米风浪流：由于海上浮式风电支撑结构物不涉及人员生活居住安全，因此工作状态下采用一年一遇的风浪流条件，极端海况选用五十年一遇的情况。表 21是东海某海域环境条件的统计资料。表 21 东海某海域50年一遇环境条件50-YEAR RETURN PERIODSECTORWAVEWIND(m/sec)CURRENTHs(m)Tz (sec)Tp(sec)Sur(cm/s)Sur(cm/s)Sur(cm/s)N4.18.110.338.41429971NE5.410.812.238.418413293E4.010.211.838.818213192SE6.98.110.638.416212281S5.98.912.438.41389970W3.07.910.937.11389970NW4.07.68.538.413899702.3.2 平台的运动坐标与环境条件方向的关系图 21 Spar平台运动坐标系2.3.3 使用年限平台的设计寿命为20年，设计时极端环境条件采用50年重现期环境数据。2.3.4 风机参数上部风机和塔架采用NREL的5MW浮式风机定义中所建议的，参考上海交通大学赵永生等人发表在energies杂志的Preliminary Design of a Multi-Column TLP Foundation for a 5-MW Offshore Wind Turbine为基础进行设计了5MW风机及其机舱，详细参数如表 22。表 22 风机及机舱参数技术指标参数技术指标参数额定功率5MW风机质量115.34 t风轮直径126 m机舱底部87.0 m切入风速3 m/s机舱质量235 t切出风速25m/s轮毂直径3米额定风速11.4m/s轮毂高度89.3米图 22 仿真建立的风机及机舱的三维图通过UG软件建立风机和机舱的三维图形，附加材料属性后计算所得的参数如下：图 22 仿真建立的风机及机舱的三维图2.4 工况选择工况波高（m）周期（s）风速(m/s)流速(sur/mid/bot)(m/s)方向（deg）LC14.08.011.41.04/0.79/0.60LC24.08.011.41.04/0.79/0.690LC34.08.011.41.04/0.79/0.6180LC47.012.038.81.82/1.31/0.920LC57.012.038.81.82/1.31/0.9290LC67.012.038.81.82/1.31/0.921802.5 参考规范中国船级社浅海固定平台规范（2003）中国船级社2012钢制海船入级规范（2012）DNV-OS-C106“Structural Design of Deep Draught Floating Units (LRFD)”。DNV-OS-C101“Design of Offshore Steel Structures， General (LRFD METHOD)”。DNV-OS-C201“STRUCTURAL DESIGN OF OFFSHORE UNITS (WSD METHOD) ”。DNV-RP-F205“GLOBAL PERFORMANCE ANALYSIS OF DEEPWATER FLOATING STRUCTURES”。2.6 所用软件主要使用UG、AQWA和AutoCAD软件。第3章 平台的结构型式和主尺度3.1 平台概念及其结构形式在本设计中考虑到风电结构的有效载荷比较小，作业水深较小的特点，采用第一代SPAR平台作为浮式风电的基础结构。图 31现有SPAR平台分类3.2 平台主尺度的确定3.2.1 排水量的估算甲板的承载比排水量不超过15%，设计承载约为700 t ；压载总重约占排水量的30%50%，由设计条件可得：总排水量：7000 t； 压载质量：3500t；平台主体重量：2200吨3.2.2 平台干舷的确定参考固定式导管架平台的规范来确定Spar的干舷高度。若波浪冲击甲板和设备时，将产生很大的力，还会对甲板上的设施产生很大的破坏。为避免这一点，下甲板的底部应设置在能使设计波浪的计算波峰通过且带有适当的安全裕度的高程上。由于SPAR平台的干舷高度没有明确的规范，于是选用固定平台的规范。中国船级社2003年的浅海固定平台规范中1.2.3.2 平台的最下层甲板高程应在极端环境条件时潮汐与波浪最不利组合情况下的最大波峰高程以上，并留有适当的间距，以保证最下层甲板的安全。此外，还应考虑平台长期采油可能造成地基的沉降。在此基础上，再加上至少1.5m的安全气隙，以防备平台长期采油可能造成地基沉降等不确定因素。甲板的分层和层间净空应根据操作和设备布置的要求确定。由于该平台用于浮式风电的支撑结构，甲板上的设备比较少，故只设置一层甲板，依据固定式平台甲板高程规范和现有Spar平台设计资料，取Spar平台干舷高度为12米。3.2.3 平台外径及其吃水的确定根据上面初步确定的平台总吃水为7000吨和工作水深为100米初步确定平台吃水60米，主体外径为12 米。平台的主体参数如下主体长度：72 米干舷：12米吃水：60米外径：12米排水量：7000 吨3.3 风机支撑塔的确定支撑塔连接风机的机舱和平台甲板，起传递载荷的作用，要保证其具有一定的强度。为了增加刚度同时减小风的作用力和与甲板连接处的应力，支撑塔呈不等壁厚的圆台状。本设计中风机支撑塔的具体参数参考上海交通大学赵永生等人发表在energies杂志的Preliminary Design of a Multi-Column TLP Foundation for a 5-MW Offshore Wind Turbine文章中提到的风机支撑塔的参数进行设计，具体尺寸如下：表 31 5 MW风机支撑塔的参数高度Elevation (m) 外径Outer Diameter (m) 厚度Thickness (m) 12(Tower base)塔底6.0000.032255.6340.03355.2670.028504.9020.026654.5370.024804.1710.02287 (Yaw bearing)倾斜轴承4.0000.03通过UG软件进行仿真建模后附加材料属性得到支撑塔的有关参数如下： 68 / 68图 32 风机支撑塔CAD图纸图 33 风机支撑塔UG三维图纸3.4 舱室划分Spar平台与船舶类似，由水密舱壁将主体分隔成适当数量的舱室主要是考虑Spar平台的破舱稳性，使主体在一舱或数舱破损进水后仍能保持一定浮性和稳定。2012钢质海船入级规范2.12.1.2中对船舶的分舱进行如下规定：表 32水密舱壁总数L 6060 L 8585 L 105105 L 125中机型4456尾机型3456参考船舶舱室分布规范，将Spar平台的硬舱沿竖直高度分为4个舱室。4层舱室长度从上到下依次为12米、15米、15米、30米。由于靠近水面的浮舱容易发生撞击损坏，所以舱的长度相对小一些，并设有双层防水壁，最下面的舱室连到浮筒混凝土压载舱底部，高30米。水平面内分舱也是为了提高主体的抗沉性，将Spar平台在水平面内对称分为12个舱室。对称布置分舱主要是为了便于制造。布置图如图 34和图 35所示。图 34舱室立面布置图图 35舱室平面布置图第4章 平台的主体结构设计4.1 平台材料选取合适的材料，可以保证结构具有足够的强度和稳定性，不会出现破损和屈服， 对于平台正常实现它的功能，对于平台实现正常的生产功能有着重要的作用。平台钢材选用DNV规范中的高强度钢NV-32，其屈服应力为315MPa，许用应力为200MPa。4.2 平台主体内外板参数的确定4.2.1 板厚的确定中国船级社2012钢质海船入级规范第二分册5.2.2中对双壳油船的船底板的厚度进行如下规定：船中部0.4L 区域内的船底板厚度t 应不小于按下列两式计算所得之值：式中：s为纵骨间距，m，且不应小于纵骨标准间距d吃水，m；L船长，m， 但计算时取值不大于190m；折减系数， ；2012钢质海船入级规范第二分册2.2.5.7中第二条规定：对船长小于65米的船舶，和均取为1。 2012钢质海船入级规范第二分册77页式中：B船宽 L船长 2012钢质海船入级规范第二分册73页取B=12m，L=60m，d=60m，s=0.6m，将数据代入以上公式得因为Spar平台与船舶相似，所以参考船舶规范中对船底板壁厚的规定对Spar 平台的壁厚进行选取。考虑到平台在静水面处一定范围内所受波浪荷载、风荷载以及流荷载较大，故在水面附近的外壳板厚可以予以加强。为了方便建造，尽量减少材料种类，故外壳的板厚均为25mm。内壁、内置舱壁和甲板所受的载荷较小，主要承受由外壳传递的载荷，故所取得板厚较小为20mm在主体结构下方的最后一个舱室的下部同时承受混泥土的压载和60米水深的净水压力，所以板厚要适当加厚，同时考虑到建造的方便，将下底板厚选为25mm。在确定板厚的过程中，参考了Offshore Standard DNV - OS- 2012STRUCTURAL DESIGN OF OFFSHORE UNITS (WSD METHOD)（2005）section 6- B200 Minimum thickness，规范中有：结构的最小厚度应不小于；结构主要构件取7mm，次要构件取 5mm；为材料最小屈服极限。根据此规范，得到主要构件的最小厚度为又参考海上固定导管架平台的板厚范围，得到上述的板厚。在以后的校核过程中，若不满足则会做出相应的修改。4.2.2 内外板详细参数的确定4.3 主体结构骨材的确定4.3.1 骨材尺寸Spar 平台主体的骨材选用T型钢，2012钢质海船入级规范中船底板骨材的间距及尺寸进行如下规定： 2012钢质海船入级规范P2645.4.5.1 船底纵骨的最大间距应不大于1m。5.4.5.2 船底纵骨的剖面模数W，应不小于按下式计算所得之值：式中：s纵骨间距，m； d吃水，m ； l纵骨跨距，m ；取s=0.6m，d=60m，l=1.4m；将数据代入得船底纵骨的剖面模数与板厚的选取类似，以船舶尺寸为依据结合Spar平台的特点，在船舶壁厚尺寸上进行加大进行选择，选取纵骨尺寸为。参照纵骨尺寸选取肋骨尺寸为。纵骨横骨尺寸如图 41所示：图 41 纵骨横骨尺寸4.3.2 骨材自身稳定性校核钢结构设计原理中规定：对于T型梁等组合梁翼缘板的局部稳定应满足，其中b为翼缘板一端伸出的长度，t为腹板厚度。中国船级社2012钢制海船入级规范中1.2.5.3节中有论述：主要构件面板的剖面积一般不超过，其中为腹板高度，为腹板的厚度纵骨：；面板面积肋骨：；面板面积结论：所选骨材满足局部稳定性的要求。4.3.3 骨材间距的确定参考中国船级社2012钢制海船入级规范，规范中关于双壳油船的骨材间距有：肋骨、横梁或纵骨（船底、舷侧、甲板）的标准间距应不大于0.7m；又有船底纵骨的标准间距应不大于1m。 根据以上规范描述，考虑Spar平台的吃水深，所受静水压力大，且相对于船是固定在海底的，环境荷载较为恶劣，故取平台纵骨间距为0.6m。Spar平台为一大直径的圆柱体，对外壳的刚度有较高要求，因此横向骨材应予以加强，横向骨材间距均取为0.5m。Spar内的舱壁是为了防止舱室之间破舱，同时舱壁整体作为一板架结构可以承受一部分平台外壳所传递的荷载。因此，骨材间距比纵骨间距适当大一点，为方便建造，舱室横纵骨材间距相等，均取为1m。为统一以方便建造，平台底部舱的骨材间距同平台纵骨一样：外壳纵横骨材间距0.6m0.5m，舱壁纵横骨材间距1m1m。综上所述，板和骨材的具体数据如图 41所示表 41 主要板材和骨材的详细参数构件示意图尺寸及用途厚度为25mm的板主要用于Spar平台外壳和底舱壁厚度为20mm的板主要用于Spar平台的内壁、舱壁平台纵骨。在外壁及中央井壁间隔为0.6m，其余间隔为1m。平台横骨。在外壁及中央井壁间隔为0.5m，其余间隔为1m。4.3.4 骨材详细参数的确定通过UG仿真软件建立纵横骨材的三维图纸，并施加材料属性，得到的相关参数如下：图 42 结构主体纵横骨材三维图图 43 地板的纵横骨材示意图4.4 结构压载参数如前面章节介绍， 为保证浮式风电平台有良好的水动力性能， 现在的设计趋势都是在平台底部加上大重量的压载。本文中在底部舱室中填充混凝土来实现，填充高度为15m,选用密度为 2500kg/m3 的混凝土。通过UG仿真软件得到质量参数为4.5 系泊材料的确定采用张紧式系泊系统，合成聚酯缆密度2000 kg/m3，弹性模量，锚链直径9cm，系泊系统采用3根系泊线，它们在静水面投影之间的夹角为120o。导缆器位置在静水面以下20米处，导缆口距平台柱体中心线之间的半径为6米。海底锚点分布在系统静平衡时距SPAR中心线半径为144.56米（系泊角度为60度）的圆周上。图 44 锚链配置及分布图4.6 小结本章从结构材料、骨材选取与布置、板厚选取，混凝土压载几个方面，依据第三章确定的平台主尺度，参照钢制海船入级规范，对SPAR平台的主体进行了结构设计，设计的原则是保证结构的强度、刚度及其结构的合理性。4.6.1 系统质量及其质心坐标名称质量（吨）M （t）距静水面距离（米）Z （m）M*Z风机和机舱35090.03631512.6支撑塔247.533.0188171.955板材1306.8-24.96-32617.7骨材871.1-22.33-14451.7压载4071.5-52.5-213754求和6846.9-226139系统质量：6646.9吨系统质心到水面距离：-226139/6646=-33.02 米4.6.2 系统转动惯量名称风机和机舱2.95.51支撑塔0.3860.162板材1.434.6骨材0.7052.1压载11.37.32求和16.28918.192系统的转动惯量为第5章 结构强度分析5.1 ANSYS相关单元介绍5.1.1 质量单元 Mass21Mass21单元有6个自由度，三个方向的平动和转动，不同方向的质量和惯性矩可被赋予到相应的坐标方向进行计算。Mass21的位置一般会位于被简化区域的质心处，可以采用刚性单元连接分析结构的相接部位，典型的有rbe2,rbe3。rbe2可以节点与节点相连，rbe3一般是节点与边的连接方式。rbe2是通过耦合位移自由度的方式传递载荷，rbe3（均方加权刚性单元）根据质量单元与相连接边上节点位置自动分配载荷给相关的节点。5.1.2 壳单元 Shell181Shell 181适用于薄到中等厚度的壳结构.该单元有四个节点,单元每个节点有六个自由度,分别为沿节点X,Y,Z方向的平动及绕节点X,Y,Z轴的转动.退化的三角形选项用于网格生成的过渡单元.Shell 181单元具有应力刚化及大变形功能.该单元有强大的非线性功能,并有截面数据定义,分析,可视化等功能,还能定义复合材料多层壳.Shell 181壳单元的截面定义了垂直于壳X-Y平面的形状.通过截面命令可以定义Z方向连续层,每层的厚度,材料,铺层角及积分点数都可以不同.图 51 Shell181单元5.1.3 单元分配对于平台的不同部位与结构形式，我们用不同的单元类型来建模，具体的分配如表 51 结构有限元模型的单元分配所示表 51 结构有限元模型的单元分配单元种类位置作用Mass21最顶端代替风机Shell181结构表面代替结构表面钢材5.2 建模5.2.1 定义单元和单元实常数新建单元类型：该模型共包括mass21、shell181两种种单元类型。根据相应的板厚和质量定义两种单元的实常数：图 52 添加单元图 53 添加两个实常数5.2.2 添加材料属性密度：7850kg/m3杨氏模量E=2E11泊松比0.3图 54 添加材料属性5.2.3 使用ANSYS建模中的圆锥建立2个体并将其合并为一个第一个：底部位于-60m顶部位于12m外径均为12m第二个：底部位于12m顶部位于87m，底部直径6m，顶部直径4m图 55 ANSYS建模界面图 56 几何模型5.3 生成有限元模型使用ANSYS中的Meshing-Mesh Tool进行网格划分。图 57 Mesh工具条图 58 有限元模型5.4 施加约束，求解5.4.1 添加位移约束Solution Define Loads Apply Structural Displacement On nodes使用惯性释放的方式对z=-60m处的三个节点添加6个位移约束图 59 添加位移约束5.4.2 添加风机时程力在z=87m的位置添加风机的时程力，时程力的相关数据如 所示时间（s）MxMyMzFxFyFz0773692.2-1516377117166.05197851.7-6660.99-7865810.5770874.5-1656562139858.28202237.2-4489.39-7886051769624.3-1578282139361.47194447.4-1473.89-7902891.5770482.1-1711721164199.09202121-3779.44-7905202769794.2-162775174616.961199274.2-2893.66-7876492.5767411.4-1668425111471.77199553.1-2119.24-7873583771068.3-157245455183.66197338-4510.34-7866323.5774419.4-1621786187633.92203842-7178.5-7899944775348.1-161105399286.664202880.4-3151.12-7889644.5781143.6-1661991193703.98206467.8-401.781-7906275791472.3-167642371609.023210783.9-3149.03-7881425.5789937.6-1645370143757.06207659.9-4544.88-7882736784068.9-160493327593.691194967-3259.26-7865856.5780611.8-1555774160381.81195831.8-5145.3-7881657775965.4-160317294796.656191644.5-7178.02-7893057.5763853.4-1610923164350.5176248.7-2817.96-7900668753409.2-1713794-7487.629162552.3-24.5377-7874748.5751178.8-1636602-1773.45157081.5-3426.53-7843069749767.8-1632557-95611.52149321.1-7396.38-7832679.5742866.77725142546.1-6051.85-78483210735340.1-1644951-47150.36135390.2-4324.19-78538410.5729842.3-169110113029.508128280.6-3576.34-78559011723592.3-1756699-163977.1117852.6-1298.33-78083511.5721441.4-1688019-173961.7112226-1340.94-77789412725388.4-1623398-229182.9112082-6483.11-77429312.5727167.3-1604171-108083.9110660.3-9427.85-77734913718837.6-1645561-135200.9102836-3361.47-77612313.5714432.7-1750132-150497.198811.7610.22394-77570814716350.4-1726509-255925.592209.41-1366.2-76987014.5722520.3-1709913-314032.891907.59-5432.5-76760915724993.6-1558012-252304.587956.35-5817.17-76811615.5728840.6-1671364-232126.692424.98-7667.87-77155316727238.9-1615346-148686.582977.61-4361.43-77363716.5726064.6-1826317-274010.683197.16-993.56-77387817728877.6-1679789-284608.679609.963085741077.8-1742330-383801.880060.22-6556.91-77186918748756.8-1584318-21940983234.95-8858.66-77386418.5750195.8-1739622-266923.181169.41-6075.71-77942619750377.3-1696439-155593.879568.67-1592.61-78069819.5757019.1-1886442-301806.876402.72-2656.34-78105920762988.3-1746388-279464.976815.9-1428.31-7772575.4.3 添加静水压力1、定义力函数Parameters Function Define/Edit 图 510 力函数2、导入力函数，将其命名为JINGSHUIParameters Function read from file图 511 导入力函数5.4