风车安装船站立稳定性的研究

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风车安装船是一种用于海上风力发电机组安装与维护的专用工程船,拥有运输、起重、升降和航行的功能。风车安装船处于复杂多变的海洋自然环境中,其桩腿站立稳定性直接影响到船的作业性能和安全。  本文针对某公司风车安装船的站立稳定性,从桩腿的强度、刚度、非线性动位移和振动等方面进行了分析研究,主要研究结果如下:  1)研究了桩腿的制造工艺和建造方法,针对桩腿焊接过程中预热不均匀、层间温度不易控制的难题,提出了圆形桩腿的预热焊接方法和装置,建立了双面传热的理论模型,并进行了实际生产验证。制定了桩腿升降定位孔的开孔工艺规范,已成功应用到圆形桩腿的建造。  2)采用ANSYS软件建立了不同约束下圆形桩腿的有限元模型,即铰支模型和桩土相互作用模型,从静力、模态、非线性动力方面对桩腿进行了数值模拟,并进行比较研究。研究结果表明:铰支模型和桩土相互作用模型的静力计算值差异较大,其中两者在极限载荷下的应力都远低于桩腿材料的屈服强度;两种模型下桩腿的振动响应略微不同;铰支约束的弯矩曲线在桩端约束处出现了突变峰值,而桩土相互作用约束下的弯矩变化较为缓和。稳定性分析时桩土作用模型更合理,精度更高。  3)研究了桩腿屈曲理论公式,并在工程应用方面对比分析了其与数值方法的差异,通过算例分析了影响桩腿屈曲稳定性的因素,采用桩腿缩小比例模型进行了压杆稳定实验,研究结果表明:圆形壳式桩腿和八边形桩腿临界载荷的数值解与理论解分别相差1.9%和22.7%,理论公式在工程计算中适用性不强;定位孔的直径增大会降低桩腿的屈曲临界值;主板厚度的改变也会引起桩腿屈曲强度的变化;模型实验验证了桩腿屈曲稳定计算的必要性。  4)风车安装船桩靴经常发生滑移和拔桩困难,无法适应复杂海底环境,本文提出了一种可调桩靴和设计方案,在分析可调桩靴的机构运动学规律的基础上,采用数值分析法探讨了可调桩靴和传统桩靴在极限载荷下的应力、变形、屈曲稳定特性,采用理论对比分析了两种桩靴的拔桩能力。计算结果表明:带有可调桩靴的桩腿结构屈曲稳定能力显著增强,线性刚度平均变形减少了53.6%,其拔桩阻力低于传统桩靴,更易于拔桩,在设计中应妥善处理应力集中的现象,整体工程性能优越。
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