海上风电作为未来新能源产业发展的主要方向,是构筑绿色技术创新体系、推动能源生产及消费革命的关键途径之一。我国丰富的海上风能资源为风电市场规模持续增长提供有利条件。目前,在建和规划的海上风电工程具有由岸向海、由浅水至深蓝及由固定式向漂浮式的发展趋势。随风电技术的日臻成熟,海上风电装机容量快速增长,而运输、吊装及维修船舶在业期间与风力机碰撞事故频发,造成海上风力机受损甚至倒塌,同时海运航线密集增加船舶与风力机碰撞风险,极大威胁风电产业高效安全发展。由此可见,海上风力机结构安全仍存在诸多问题需进一步探究。 传统防护装置主要参考海工平台抗撞设计,缺乏适应于海上风力机基础固有力学特性的设备。故基于非线性动力学理论,结合内、外部动力学方法,采用LS-DYNA模拟加装防护装置的单立柱三桩基础海上风力机受船舶碰撞过程,在传统防护装置中设计开孔结构以多目标遗传算法优化相关单孔设计参数,并引入多孔笛卡尔分形特征,探究不同结构与材料的防护装置动力响应、最优抗撞性能及损伤情况。论文主要研究内容如下: 1.基于传统圆环实心结构,研究具有单孔形状的防护装置,分别从孔的相对角度与外径两个方面,对比分析有、无单孔防护装置的抗撞性能及动力响应,以探究碰撞作用下影响单孔防护装置抗撞性能的主要因素及优化方式。首先,通过有限元方法模拟孔在19个相对角度下碰撞接触力、内能吸收、应力应变及风力机塔顶加速度,结果表明防护装置内孔相对角度在20°时综合防护效果较好;其次,通过设定0.5 m、0.6 m及0.7 m不同孔外径尺寸,对比分析防护装置动力响应及塔顶加速度,分析显示外径为0.7 m时防护装置具有较好的抗撞特性;最后,基于Kriging模型与多目标遗传优化算法,以最小碰撞力和最大内能吸收为目标函数开展单孔防护装置抗撞效果优化设计,获得最优参数配置与吸能特性结构,其结果可知孔尺寸外径为0.658 m,相对角度为0.22°时防护装置抗撞能力最优。 2.引入分形几何结合现有圆环结构,通过相切圆定理构建笛卡尔圆分形结构实现具有分形特征的防护装置,对比分析同体积、同质量下不同分形阶数的防护装置抗撞性能。首先,对比同体积不同阶数防护装置下的抗撞特性,发现一阶分形结构接触力缩减比最大为3.93%,其塑性变形区域促使橡胶材料吸能作用增强;同质量下,一阶分形结构对船舶碰撞力削弱12.94%,内能及应力应变能力较之二阶、三阶分形结构具有更好的效果。其次,针对不同阶数分形孔的对比研究,结果显示一阶分形对提高防护装置的抗撞效果尤其明显,而二阶分形在接触力、内能变化及应力应变等方面表现较差;分形孔受碰撞后弹性与塑性交互变形是导致不同阶数下抗撞性能不稳定的主要原因。最后,通过对比不同质量防护装置抗撞特性,发现随着质量增加分形防护抗撞能力增强,但在风力机顶部加速度允许范围下,分形结构对抑制塔顶加速度响应效果较之实心结构明显减弱。 3.基于上述分析可知分形结构防护装置抗撞性能较好,为此进一步探究不同材料本构模型对抗撞性能的影响。论文通过对比Aluminum foam、Mooney-Rivlin及Ogden三种材料本构模型防护装置的抗撞性能,采用碰撞运动学解析和数值法对其能量耗散、碰撞速度、撞深、接触力及损伤关系进行分析。首先,采用运动学解析法分析碰撞能量耗散可得评估防护装置能量转化情况的经验公式;三种本构防护装置中,Aluminum foam受碰撞过程变形明显,塑性变形区域大于Mooney-Rivlin及Ogden,吸能特性一定程度上得到增强。其次,实际碰撞过程Mooney-Rivlin与Ogden同为橡胶材料,其内部能量耗散速率大于Aluminum foam,但超弹性作用致使能量快速向塔架基础和外部钢壳扩散,船舶碰撞力的一部分传至塔架基础。最后,通过分析防护装置外钢壳与内核材料弹塑性变化过程,可知碰撞期间塑性吸能不变性对船舶撞击能量吸收起到重要作用,且Aluminum foam材料抗撞防护作用最优。