海上測風塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計【畢業(yè)設計】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設計)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p><b>　　1 前言3</b></p><p>　　2 環(huán)境條件和設計依據(jù)6</p><p>　　

2、2.1 環(huán)境條件6</p><p>　　2.2測風塔設計依據(jù)6</p><p>　　3 測風塔的主尺度及其結(jié)構(gòu)圖8</p><p>　　3.1測風塔的主尺度8</p><p>　　4 海上測風塔載荷計算12</p><p>　　4.1 風載荷計算12</p><p>　　4.2 波浪

3、載荷計算13</p><p>　　4.3冰載荷計算14</p><p>　　5 平臺模型的建立16</p><p>　　5.1 模型狀況16</p><p>　　5.2 測風塔模型建成19</p><p><b>　　6 施加載荷23</b></p><p>　

4、　6.1 風浪冰載荷23</p><p>　　6.2 測風塔工況24</p><p>　　7 測風塔的極限承載力計算25</p><p>　　7.1 0° 風浪工況25</p><p>　　7.2 0° 風冰工況30</p><p>　　7.3 45°風浪工況34&l

5、t;/p><p>　　7.4 45°風冰工況39</p><p>　　8 測風塔結(jié)構(gòu)方案的比較選擇44</p><p><b>　　9 設計總結(jié)46</b></p><p>　　9.1設計目標46</p><p>　　9.2完工情況46</p><p>　

6、　9.3總結(jié)和體會46</p><p><b>　　[參考文獻]48</b></p><p>　　海上測風塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本方案針對渤海灣黃驊港東側(cè)20公里處擬建的一座海上測風塔進行研究，通過對測風塔結(jié)構(gòu)形式與施工方式的可行性研究

7、，確定測風塔切實可行的方案，以滿足風資源資料測量收集的需要。主要分為以下幾個方面來進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計：</p><p>　　一、通過測風塔的任務書以及測風塔的CAD平面圖紙在prtran軟件上來建幾何模型，然后，稍加改變測風塔的一些結(jié)構(gòu)布置設計出另外倆個測風塔的模型。確定結(jié)構(gòu)模型后對模型的細部特征進行修改（主要是重復節(jié)點的刪除）特別是在結(jié)構(gòu)連接處進行結(jié)構(gòu)節(jié)點的檢查。</p><p>　　二、

8、利用測風塔的CAD圖紙并結(jié)合渤海氣象資料對測風塔的風，浪，冰載荷進行計算。</p><p>　　三、根據(jù)測風塔的風浪冰載荷的計算結(jié)果在測風塔相對應的節(jié)點處施加約束和受力。然后，依據(jù)不同的條件，得出四個不同的工況，在各自工況的條件下進行結(jié)構(gòu)的分析。</p><p>　　四、根據(jù)四個結(jié)構(gòu)的結(jié)果進行對比并找出最合理的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 海上測風塔；結(jié)構(gòu)

9、設計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；MSC-Patran&Nastran； </p><p>　　Offshore wind measurement tower</p><p>　　[Abstract] The program is 20 km east of the Bohai Bay of Huanghua Port proposed an offshore wind tower Through

10、 the wind tower structure and construction of a feasibility study to determine the wind measurement tower practical solutions to meet the needs of the wind resource data measurements collected.which is mainly divided int

11、o the following several aspects in design:</p><p>　　First, through the mission statement wind tower and wind measurement tower CAD plane drawings prtran software up to build the geometric model，Then, there

12、is little to change the structural arrangement of the wind tower design both wind measurement tower model. Modify the detailed characteristics of the model to determine the structure model。(Delete duplicate nodes)，Inspec

13、tion of the structure node in the structure of the junction.</p><p>　　Second, Calculated wind, waves, ice load through CAD drawings of the wind measurement tower and combined with the Bohai meteorological da

14、ta.</p><p>　　Third, Impose constraints on the wind measurement tower corresponding to the nodes according to storm the ice load calculations and force. Then, depending on the conditions to draw four differen

15、t conditions, structural analysis under the conditions of the respective conditions.</p><p>　　Fourth, Compare and identify the most reasonable structure based on the results of the four structural</p>

16、<p>　　【Keywords】Offshore wind towers; structural design; structural optimization</p><p><b>　　1 前言</b></p><p><b>　　1.1緒 論</b></p><p>　　MSC-Patran&N

17、astran的介紹</p><p>　　MSC.Patran 有完善的獨立幾何建模和編輯工具,以使用戶更靈活的完成模型準備，智能化模型處理,MSC.Patran 允許用戶直接在幾何模型上設定載荷、邊界條件、材料和單元特性,并將這些信息自動地轉(zhuǎn)換成相關(guān)的有限元信息,以最大限度地減少設計過程的時間消耗。所有的分析結(jié)果均可以可視化。自動有限元建模MSC.Patran 的新產(chǎn)品中不斷增加了很多更靈活更方便的智能化工具,同

18、時提供了自動網(wǎng)格及工業(yè)界最先進的映射網(wǎng)格劃分功能,使用戶快速完成他們想做的工作。完全的分析集成,將世界先導的不同類型的分析軟件和技術(shù)集成MSC.Patran 一個公共的環(huán)境中共用一個模型,為用戶提供了其他任何軟件所無可比擬的靈活性,使用戶能夠在最短的時間內(nèi)根據(jù)多種類型的仿真結(jié)果對產(chǎn)品的整體設計給出正確的判斷。</p><p>　　MSC.Nastran 為有限元模型提供靜力分析、屈曲分析、動力學分析等功能，其中本

19、論文模型所用到的屈曲分析就是用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，包括線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩(wěn)分析又稱特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預載荷，也可使用慣性釋放；非線性屈曲分析包括：幾何非線性失穩(wěn)分析，</p><p>　　彈塑性失穩(wěn)分析，非線性后屈曲分析。在算法上，MSC.Nastran 采用先進的微分剛度概念，考慮高階應變—位移關(guān)系，結(jié)合MSC.Nastran 特征值

20、抽取算法可精確地判別出相應的失穩(wěn)臨界點。</p><p>　　1.2國內(nèi)外海上風電發(fā)展狀況</p><p>　　地球上風力資源蘊藏量很大，是一種既清潔又廉價的再生資源。世界氣象組織（WMO）估計地球上海洋和陸地的風能源約為200億kW，其中陸地約占一半。在全球范圍內(nèi)能源短缺和生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天，各國對風能的開發(fā)利用越來越重視。許多國家把風電建設作為重要的能源政策。目前有些發(fā)達國家成功地

21、使每千瓦風電投資接近火電投資，并將進一步降低發(fā)電成本。風電工業(yè)將在全世界有較大的發(fā)展前景。我國有豐富的風力資源。國家發(fā)改委和國家科委共同制定的“1996—2010年中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要”及“新能源可再生能源優(yōu)先發(fā)展項目”也體現(xiàn)出風力發(fā)電是我國可再生能源的發(fā)展方向，它可改善我國能源工業(yè)面臨的經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力。</p><p>　　海上風能資源豐富而且穩(wěn)定，風況優(yōu)于陸地，且受土地利用、噪聲污染、

22、鳥類保護、電磁波干擾較少，不涉及土地征用等問題。初步資料表明，我國陸上風電可開發(fā)量為2.5億千瓦，在海水深2m至15m之間的海域風電可開發(fā)量為7.5億千瓦，我國風電的大規(guī)模開發(fā)潛力在海上，特別是水深小于15m的近海，更是今后幾十年風電發(fā)展的方向。丹麥、德國和歐盟是海上風電發(fā)展倡導者。</p><p>　　世界海上風電裝機容量已經(jīng)達到了100萬千瓦,但是大約40%在丹麥,其余分布在德國、英國、愛爾蘭、瑞典和意大利等

23、。丹麥是一個島國,近海面積遠遠大于陸地面積,地處波羅地海,海風風速穩(wěn)定,沒有災害性臺風影響,有利于開發(fā)海上風電場。目前,丹麥建成了7個海上風電場,總裝機容量達到40萬千瓦。因此,丹麥是海上風電先導者,也是海上風電的倡導者。在丹麥的積極倡導和設備供應商的推動下,歐盟在2004年將海上風電的開發(fā)提上日程。按照歐盟風能協(xié)會的計算, 2020年風電裝機容量將達到1. 8億千瓦,海上風電約為8 000萬千瓦。歐盟各國為海上風電項目審批實行一站式服

24、務,為海上風電項目的開發(fā)提供方便;建立統(tǒng)一海上風電聯(lián)網(wǎng)機制,建立近海海底電纜聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),方便海上風電的接入;各國分享已經(jīng)取得的海上風電的經(jīng)驗和教訓,聯(lián)合進行技術(shù)研發(fā)并盡可能形成規(guī)?；Ｉ巷L電的開發(fā);明確海上風電過網(wǎng)費的分擔水平,給開發(fā)商明確的價格政策信息;充分利用海洋開發(fā)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,要求海洋、海事、海運部門為海上風電開發(fā)提供技術(shù)支持,以便選擇最適合開發(fā)的風電場。我國目前在海上風電場建設方面才剛剛起步。</p><p&

25、gt;　　開發(fā)海上風能首先需要弄清近海區(qū)域風的變化規(guī)律及特征。近岸陸地氣象站所測風速由于受到地面粗糙度及大氣穩(wěn)定度等因素的影響，與海上風速有一定差異，不能直接用來代表海上風況。測風塔的主要功能是檢測、匯集不同季節(jié)風能氣象資料，為風電場的裝機編組、海底電纜鋪設及岸基變電站設計建設和電力并網(wǎng)提供科學依據(jù)。獲得海上風資源數(shù)據(jù)的最直接方法就是在海上建立測風塔。</p><p>　　海上測風塔長期的服役在惡劣的海洋環(huán)境中，

26、即使強度足夠，在風，浪，流等環(huán)境載荷的影響下，測風塔都有可能產(chǎn)生過大的振動響應。過大的振動響應都會影響測風塔的精確性和可靠性，削弱測風塔的適應性和生存性，因此有效的優(yōu)化測風塔的結(jié)構(gòu)就顯得非常的重要。</p><p>　　本設計以中國渤海海域自然壞境條件為設計依據(jù)，運用MSC.Patran&MSC.Nastran 有限元軟件，建立海上測風塔的有限元模型，在考慮了海風、海流和波浪以及冰等環(huán)境荷載的基礎(chǔ)上，進行

27、非線性分析,分別計算四種不同工況下測風塔結(jié)構(gòu)載荷，為測風塔的結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供一種準確而行之有效的方法。</p><p>　　結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，是指改變結(jié)構(gòu)的部分連接方式，幾個方案進行比較分析，得出比較合理的設計方案</p><p>　　主要包括以下方面內(nèi)容：</p><p><b>　　1、掌握基礎(chǔ)知識</b></p>

28、<p>　　a.學習PATRAN 軟件相關(guān)書籍及相關(guān)規(guī)范的學習</p><p>　　b.掌握規(guī)范對海上測風塔的設計要求</p><p>　　c.學會AutoCAD 繪圖及船舶與海上測風塔的識圖</p><p>　　2、海上測風塔的模型建立</p><p>　　a.在計算中建立模型</p><p><b

29、>　　b.模型的強度計算</b></p><p><b>　　c.強度校核</b></p><p>　　2 環(huán)境條件和設計依據(jù)</p><p><b>　　2.1 環(huán)境條件</b></p><p>　　2.1.1設計水深 </p><p>　　設計

30、水深 7m</p><p><b>　　2.1.2潮位</b></p><p>　　校核高水位（50年重現(xiàn)期） 3.08m</p><p>　　設計高水位 1.48m</p><p&

31、gt;　　平均海平面 0.00m</p><p>　　設計低水位 -0.69m</p><p>　　校核低水位 -2.32m</p><p><b>　　2.1.3波浪</b><

32、;/p><p>　　自存工況 100年一遇</p><p>　　最大波高 H=6m</p><p>　　最大波浪周期 T=8.65s</p><p><b>　　2.1.4海流

33、</b></p><p>　　本海區(qū)潮流的運動形式為往復流，主流的方向大致與等深線平行，漲潮流的方向約為ESE向，落潮流為WNW。海流最大速度1.029m/s</p><p><b>　　2. 1. 5 風</b></p><p><b>　　設計風速</b></p><p>　　工況設

34、計風速下 36.0m/s</p><p>　　自存狀態(tài)設計風速下 51.5m/s</p><p><b>　　2.1.6海冰</b></p><p>　　設計冰厚（50年一遇） 0.45m</p><p>　

35、　抗壓強度 200 MPa</p><p>　　2.2測風塔設計依據(jù)</p><p>　　2.2.1 測風塔的用鋼</p><p>　　考慮到本論文是對平臺的極限承載力的非線性分析計算，則應該把平臺有限元模型材料</p><p>　　特性定義為彈塑性，其屈服極限240MPa，材料強化斜率

36、為1×103，強度極限為400MPa。</p><p>　　因此，單一應力分量，以及適當時這類應力的直接合成，均不應超過材料的強度極限</p><p><b>　　400MPa。</b></p><p>　　2.2.2 計算工況</p><p>　　平臺在自存狀態(tài)下受到風冰載荷作用：</p>&l

37、t;p>　　風+冰, 作用方向:橫向，即0°方向</p><p>　　風+冰, 作用方向:斜向，即45°方向</p><p>　　平臺在自存狀態(tài)下受到風浪流載荷作用：</p><p>　　風+浪，作用方向:橫向，即0°方向</p><p>　　風+浪，作用方向:斜向，即45°方向</p>

38、;<p>　　3 測風塔的主尺度及其結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1測風塔的主尺度</p><p>　　主體高度 100 m</p><p>　　樁 徑 1 m</p><p>　　樁 深

39、 15 m</p><p><b>　　設計內(nèi)容：</b></p><p>　　測風塔結(jié)構(gòu)（材料、結(jié)構(gòu)形式等）：</p><p>　　測風塔支撐平臺采用四腿直樁的高樁承臺型式，工作點標高7m，在標高4m處設置橫撐、斜撐。主樁外側(cè)設靠船構(gòu)件、登船平臺等附屬構(gòu)件。主樁共四根，采用φ1000mm開

40、口變壁厚鋼管樁，壁厚為28，20mm，通過臨時打樁框架主導管打入泥中，樁入泥35m。樁上設靠船構(gòu)件等附屬結(jié)構(gòu)。打樁時，通過在陸地預制好的臨時打樁框架（打樁完成后撤走）的主導管打樁。</p><p>　　測風塔支撐平臺上為鋼結(jié)構(gòu)塔身，主體高度100m，以4 根斜鋼梁為主結(jié)構(gòu)，最下節(jié)直徑325mm；之間以斜梁和橫梁相互交叉連接。斜梁每節(jié)長度約7 m，自下而上直徑逐漸減小，最下節(jié)直徑133 mm。</p>

41、<p>　　3.2 測風塔平面結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-1 平面結(jié)構(gòu)圖1</p><p>　　圖3-2 平面結(jié)構(gòu)圖2</p><p>　　圖3-3 平面結(jié)構(gòu)圖3</p><p>　　圖3-4 平面結(jié)構(gòu)圖4</p><p>　　圖3-5 平面結(jié)構(gòu)圖5</p><p>　　圖3-

42、6 平面結(jié)構(gòu)圖6</p><p>　　4 海上測風塔載荷計算</p><p><b>　　4.1 風載荷計算</b></p><p>　　4.1.1 計算依據(jù)</p><p>　　自存狀態(tài)設計風速下 51.5m/s</p><p>　　海上測風塔所受載荷

43、 F = pA （4.1）</p><p><b>　　式中：p—風壓；</b></p><p>　　A——結(jié)構(gòu)垂直于風向的投影面積。</p><p>　　載荷作用于上述投影面積的中心，其標準高度為海面上10m</p><p><b>　　（4.2）&

44、lt;/b></p><p>　　結(jié)構(gòu)所承受的風壓為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中：CH---風壓的高度系數(shù)；</p><p>　　CS ---構(gòu)件的形狀系數(shù)。</p><p>　　CH、CS 取值分別見表4.1 ，其中h（m）為構(gòu)件距海平面的高

45、度。</p><p>　　表4-1 風壓系數(shù)構(gòu)建系數(shù)表</p><p><b>　　4.1.2計算結(jié)果</b></p><p>　　表4-2 自存狀態(tài)下0°方向測風塔承受的風載荷</p><p>　　樁腿受力大小為177692.57N，力作用線到海面距離36.79m</p><p>

46、　　該測風塔在自存狀態(tài)下90°方向承受的風載荷同自存狀態(tài)下0°方向承受的風載荷相等</p><p>　　表4-3 自存狀態(tài)下45°方向測風塔承受的風載荷</p><p>　　自存狀態(tài)下45°方向該測風塔的風載荷大小為209160.25N，和力作用線到海面距離38m。</p><p>　　4.2 波浪載荷計算</p>

47、;<p><b>　　4.2.1計算依據(jù)</b></p><p>　　根據(jù)設計波參數(shù)和規(guī)范要求，波浪選用斯托克斯五階波。</p><p><b>　　（4.4）</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　（4.6

48、）</b></p><p>　　波長L=40.32 D/L=0.025 k=0.1558</p><p>　　對小尺度圓形構(gòu)件，垂直于其軸線方向單位長度上的波浪力?, 當D/L≦0.05（D 為圓形</p><p>　　構(gòu)件直徑（m）；L 為設計波長（m））時，可用Morison 公式計算：</p><p><b&g

49、t;　?。?.5）</b></p><p>　　則, （4.6）</p><p><b>　　4.2.2計算結(jié)果</b></p><p>　　對圓形構(gòu)件取 CD=1.0；CM=1.0；D=1m；k=0.1558</p><p>　　表4-4 波浪力計算結(jié)果</p>&l

50、t;p>　　合計 4044.8 9086.3 15584 31322</p><p>　　等效作用力離海底的距離 3.16 3.55</p><p>　　可以看出拖曳力FD =4044.8 N，拖曳力距離泥面3.16m，附加

51、質(zhì)量力FM=9086.3N，</p><p>　　附加質(zhì)量力距離泥面3.55m。</p><p><b>　　4.3冰載荷計算</b></p><p><b>　　4.3.1計算依據(jù)</b></p><p>　　工程中采用極限冰壓力作為計算的冰載荷。</p><p>　　相關(guān)

52、因素：冰的極限強度、冰層厚度、結(jié)構(gòu)迎冰面的寬度和厚度、冰行近結(jié)構(gòu)物時的速</p><p><b>　　度和冰溫等。</b></p><p>　　風、流作用下，大面積冰層擠壓垂直樁柱所產(chǎn)生的冰載荷：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中：

53、 m—樁的形狀系數(shù)；</p><p>　　K1—局部擠壓系數(shù)；</p><p>　　K2—樁柱與冰層的接觸系數(shù)；</p><p>　　b—樁柱尺寸（寬度或直徑）；</p><p><b>　　h—冰層計算厚度；</b></p><p><b>　　RC—極限抗冰強度&

54、lt;/b></p><p><b>　　4.3.2計算結(jié)果</b></p><p>　　樁的形狀圓柱，形狀系數(shù) m=0.9；CCS 擠壓系數(shù)K1=2.5；接觸系數(shù)K2=0.45；樁柱直徑</p><p>　　b=3.2m；冰層的計算厚度h=0.45m；極限抗冰強度RC=1470000Pa。</p><p>　　則

55、冰載荷為：==0.9×2.5×0.45×3.2×0.3×1470000=669768.8N</p><p><b>　　5 平臺模型的建立</b></p><p><b>　　5.1 模型狀況</b></p><p>　　測風塔的結(jié)構(gòu)尺寸 （以海平面高度為0米）</p

56、><p>　　建立3個不同測風塔的有限元模型以便對比</p><p>　　表5-1 立柱 測風塔構(gòu)件數(shù)值</p><p>　　圖5-1 測風塔立柱有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　表5-2 測風塔橫框構(gòu)件</p><p>　　圖5-2 測風塔框架有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　表5-3 測風

57、塔斜撐構(gòu)件</p><p>　　圖5-3測風塔斜撐有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　表5-4 測風塔測風儀支架</p><p>　　圖5-4測風塔測風儀有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　圖5-5測風塔樁腿有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　5.2 測風塔模型建成</p><p>　　在建模中

58、把整個測風塔的模型加以簡化，用二維梁單元模擬支架與樁腿。首先，把整個測風塔按區(qū)域劃分為不同的組，包括立柱，橫框，斜撐，測風儀支架，避避雷針和樁腿。然后在不同的組里按照圖紙的尺寸建立幾何模型，在幾何上劃分單元，接著定義材料屬性。這里用彈塑性鋼材，即彈性模量E=2e11Pa，泊松比λ = 0.3，密度ρ = 7850kg /m3，屈服極限240MPa，材料強化斜率為1×103，強度極限為400MPa。最后給單元附特性。在模型建立過

59、程中要特別注意單元的協(xié)調(diào)問題，模型建好再消除重復單元。</p><p>　　圖5-6 建成后的（方案一）測風塔有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　圖5-7 建成后的（方案二）測風塔有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　紅色部分為結(jié)構(gòu)改變之處</p><p>　　圖5-7 建成后的（方案三）測風塔有限元結(jié)構(gòu)模型</p><p&

60、gt;　　紅色部分為結(jié)構(gòu)改變部</p><p><b>　　6 施加載荷</b></p><p><b>　　6.1 風浪冰載荷</b></p><p>　　表6-1 測風塔的各種工況下的載荷</p><p>　　圖6-1 海上測風塔載荷分布圖</p><p><b&g

61、t;　　6.2 測風塔工況</b></p><p>　　6.2.1 風浪工況</p><p>　　0° 風載荷+波浪載荷+約束</p><p>　　45°風載荷+波浪載荷+約束</p><p>　　6.2.2 風冰工況</p><p>　　0° 風載荷+冰載

62、荷+約束</p><p>　　45°風載荷+冰載荷+約束</p><p>　　7 測風塔的極限承載力計算</p><p>　　結(jié)構(gòu)的極限承載能力(載荷)的定義是:就理論上而言,當結(jié)構(gòu)逐步加載到達某一定值后,</p><p>　　若再增加一個非常小的載荷,結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的位移,此時稱為結(jié)構(gòu)失穩(wěn),承載達到極限。從計算分析上而言,若程序中

63、計算方法是采用載荷控制,則當增大載荷至結(jié)構(gòu)的最大組合應力達到材料的屈服極限狀況時,結(jié)構(gòu)承載已經(jīng)達到極限。</p><p>　　本測風塔模型的材料特性定義為彈塑性，其屈服極限240Mpa，強度極限為400MPa，所以當最大組合應力達到400MPa 時，即達到材料的屈服極限狀況時,測風塔的結(jié)構(gòu)承載已經(jīng)達到極限。</p><p>　　用MSC Patran&Nastran 有限元分析軟件

64、對測風塔的各工況進行結(jié)構(gòu)靜力分析，得到測風塔在各種工況下的組合應力、軸向應力、彎曲應力和及測風塔的位移情況。</p><p>　　7.1 0° 風浪工況</p><p><b>　　7.1.1位移</b></p><p>　　圖7-1方案一 在0°風浪工況下的位移圖</p><p>　　圖7-2

65、方案二在0°風浪工況下的位移圖</p><p>　　圖7-3 方案三在0°風浪工況下的位移圖</p><p>　　7.1.2 軸向應力</p><p>　　圖7-4 方案一在0°風浪工況下的軸向應力圖</p><p>　　圖7-5方案二在0°風浪工況下的軸向應力圖</p><p>

66、;　　圖7-6方案三在0°風浪工況下的軸向應力圖</p><p><b>　　7.1.3彎曲應力</b></p><p>　　圖7-7方案一在0°風浪工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-8方案二在0°風浪工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-9方案三在0°風浪工況

67、下的彎曲應力圖</p><p>　　表7-1 0°風浪工況</p><p>　　7.2 0° 風冰工況</p><p><b>　　7.2.1 位移</b></p><p>　　圖7-10 方案一在0°風冰工況下的的位移圖</p><p>　　圖7-11 方案二

68、在0°風冰工況下的位移圖</p><p>　　圖7-12 方案三在0°風冰工況下的位移圖</p><p>　　7.2.2 軸向應力</p><p>　　圖7-13 方案一在0°風冰工況下的軸向應力圖</p><p>　　圖7-14方案二在0°風冰工況下的軸向應力圖</p><p>

69、;　　圖7-15方案三在0°風冰工況下的軸向應力圖</p><p>　　7.2.3 彎曲應力</p><p>　　圖7-16方案一在0°風冰工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-17方案二在0°風冰工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-18方案三在0°風冰工況下的彎曲應力圖</p&

70、gt;<p>　　表7-2 0°風冰工況</p><p>　　7.3 45°風浪工況</p><p><b>　　7.3.1 位移</b></p><p>　　圖7-19方案一在45°風浪工況下的位移圖</p><p>　　圖7-20方案二在45°風浪工況下的位

71、移圖</p><p>　　圖7-21方案三在45°風浪工況下的位移圖</p><p>　　7.3.2 軸向應力</p><p>　　圖7-22方案一在45°風浪工況下的軸向應力圖</p><p>　　圖7-23方案二在45°風浪工況下的軸向應力圖</p><p>　　圖7-24方案三在45

72、°風浪工況下的軸向應力圖</p><p>　　7.3.3 彎曲應力</p><p>　　圖7-25 方案一在45°風浪工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-26方案二在45°風浪工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-27方案三在45°風浪工況下的彎曲應力圖</p><

73、p><b>　　表7-3</b></p><p>　　7.4 45°風冰工況</p><p><b>　　7.4.1 位移</b></p><p>　　圖7-28方案一在45°風冰工況下的位移圖</p><p>　　圖7-29方案二在45°風冰工況下的位移圖&l

74、t;/p><p>　　圖7-30方案三在45°風冰工況下的位移圖</p><p>　　7.4.2 軸向應力</p><p>　　圖7-31方案一在45°風冰工況下的軸向應力圖</p><p>　　圖7-32方案二在45°風冰工況下的軸向應力圖</p><p>　　圖7-33方案三在45

75、76;風冰工況下的軸向應力圖</p><p>　　7.4.3 彎曲應力</p><p>　　圖7-34 方案一在45°風冰工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-35 方案二在45°風冰工況下的彎曲應力圖</p><p>　　圖7-36方案三在45°風冰工況下的彎曲應力圖</p><p&

76、gt;　　表7-4 45°風冰工況</p><p>　　8 測風塔結(jié)構(gòu)方案的比較選擇</p><p>　　由MSC-Patran 建立模型，通過Nastran的計算分析，可以對前面所提出的三種方案進行比較選擇。這三種方案的不同之處是斜撐運用了不同的形式，而不同的形式對測風塔的、的整體或局部的應力以及其穩(wěn)定性都有不同的影響，因此，不同斜撐的選擇對測風塔的安全性和經(jīng)濟性設計非常重

77、要。</p><p>　　表8-1 在各個工況下三方案的最大位移</p><p>　　表8-2 在各個工況下三方案的最大軸向應力</p><p>　　表8-3在各個工況下三方案的最大彎曲應力</p><p>　　從以上三張表清晰地可以看出，相同工況時，方案三的模型的軸向應力（0°風+波浪工況：80.4Mpa， 0°風+冰工

78、況時：80.4Mpa，45°風+波浪工況時：83.9Mpa，45°風+冰工況時：83.9Mpa），彎曲應力（0°風+波浪工況：21.1Mpa，0°風+冰工況時：174MP，45°風+波浪工況：28.1Mpa，45°風+冰工況時：181Mpa）以及位移（0°風+波浪工況：0.68 m，0°風+冰工況時：0.828m，45°風+波浪工況時：0.709m

79、，45°風+冰工況時：0.849m）均是三個方案中比較小的。雖然從應力來看，三者均滿足強度要求，即三者都是符合方案的安全性，但第三套方案的安全系數(shù)更高一些。</p><p>　　綜上，選擇的第三套測風塔的設計方案為為最終的設計方案。</p><p><b>　　9 設計總結(jié)</b></p><p><b>　　9.1設計目標

80、</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計的題目是海上測風塔的優(yōu)化設計，本次設計的目標是在老師指導下參照</p><p>　　測風塔CAD平面結(jié)構(gòu)按照相關(guān)設計規(guī)范利用有限元 MSC-Patran 建立模型，利用 Nastran計算風電結(jié)構(gòu)的應力與變形，能夠獨立完成渤海海域四立柱的導管架的海上測風塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計</p><p><b>　　9.2

81、完工情況</b></p><p>　　在本次設計中我使用了有限元軟件MSC-Patran & MSC-Nastran對風電結(jié)構(gòu)進行分析，由于這個軟件的界面全部都是英文界面，因此對于初學者來說，能否夠熟練掌握并運用MSC-Patran & MSC-Nastran軟件的各項功能是進行設計的關(guān)鍵一步。在大二學期，我們初步學習了MSC-Patran & MSC-Nastran軟件的使用

82、，這畢業(yè)設計開始前，我又對MSC-Patran & MSC-Nastran軟件進行了深一步的學習，掌握了運用于海上測風塔的結(jié)構(gòu)分析的MSC-Patran & MSC-Nastran主要命令，并能在之后的設計中能熟練運用該軟件進行分析，保證了設計的順利進行。</p><p>　　海上測風塔的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計過程本身就是一個方案預設、強度校核、方案比較，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程。在設計開始，我得到老師給我的設計任

83、務書和設計的相關(guān)資料，在老師的指導下我分別確定了三種結(jié)構(gòu)的可行性優(yōu)化方案；之后按照規(guī)范我對風電結(jié)構(gòu)進行了風載荷、冰載荷、波浪載荷的計算，并通過MSC-Patran & MSC-Nastran建立了平臺的有限元模型并對各種方案進行了整體的靜力分析，通過分析比較最終確定了優(yōu)化方案。</p><p><b>　　9.3總結(jié)和體會</b></p><p>　　大學四年

84、學的東西基本上是以船舶為主的知識，但是大四的畢業(yè)設計選的卻是海洋工程，從這方面來看自己比別人多學了額外的知識，接觸了新的東西，開闊自己的視野，并且掌握了Patran軟件的入門，相信在以后的工作會用對自己有用的方面。</p><p>　　這次畢業(yè)設計，本人對導管架平臺有了更深一步的認識，并學會了用有限元軟件MSC-Patran & MSC-Nastran對結(jié)構(gòu)進行分析,對MSC-Patran & M

85、SC-Nastran軟件的功能也有了整體的了解并且基本上能夠正確使用；同時在畢業(yè)設計的過程中，我深深地感到MSC-Patran & MSC-Nastran的應用廣泛，在設計過程中只用到了其基礎(chǔ)的功能，對其他一些菜單和命令的功能還是不甚了解，這也激發(fā)了我對MSC-Patran & MSC-Nastran軟件極大的學習熱情。在大學的學習過程中，畢業(yè)設計是一個重要的環(huán)節(jié)，是我們步入社會參與實際工程建設的一次極好的演示。<

86、/p><p>　　在這次設計中，我大量使用OFFICE系列軟件中的EXCEL制作表格進行計算，節(jié)省大量人力，并且保證了計算的準確度，而且做出來的表格美觀實用，保證了后期對計算書排版工作的順利開展。</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1] 李治彬．海洋工程結(jié)構(gòu)[D]．哈爾濱工程大學出版社，2002:2-83 &l

87、t;/p><p>　　[2] 黃國權(quán)．有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應用[D]．北京：機械工業(yè)出版社，2004:3-59</p><p>　　[3] 孫東昌,潘斌. 海洋自升式移動平臺設計與研究[D].上海:上海交通大學出版社,2008:12-67</p><p>　　[4] 中國船級社．淺海固定平臺建造與檢驗規(guī)范[D]．北京：人民交通出版社，2004:21-89</p

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89、平臺, 2007.10. 第22 卷　第5 期:38-67</p><p>　　[8] 中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社. 2005:27-67</p><p>　　[9] 周煥林，胡宗軍，胡龍飛，MSC.Patran&MSC.Nastran入門和實例[Z]，安徽：合肥工業(yè)大學出版社， 2006:3–76</p><p>

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92、 Bureau of Shipping,Two World Trade Center,106th Floor,New York,NY 10048 USA: 35-72</p><p>　　[14]Urbankjellen.Adapting the application of risk analysis in offshore plat form</p><p>　　design to n

93、ew frame work conditions[J].Reliability Engineering and System</p><p>　　Safety,1998，60:143-151.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計在張教授和很多同學的幫助和指導下順利完成。這次設計讓我接觸道了以前沒學過的東