摘要
课题来源于国家重点研发计划“大型海上风电机组及关键部件优化设计及批量化制造、安装调试与运行关键技术(2018YFB1501300)”和重庆市技术创新与应用发展专项“海上浮式风电装备研制及应用(cstc2019jscx-mbdxX0003)”。 发展可再生能源是实现“双碳”目标和解决生态环境问题的根本途径，是加快我国能源转型的重大发展战略。风能作为最重要的可再生能源之一，是实现低碳发展的重要途径，我国风能储量约10亿kW，居世界首位，其中海上风能资源储量达7.58亿kW，开发潜力巨大。深远海风能资源丰富，风速稳定且对沿海环境影响较小，是当前海上风电发展的主流趋势之一。海上浮式风电机组是目前最有效地开发深远海风能资源的海洋工程装备。然而，在25年全寿命周期内，浮式风电机组的漂浮式结构设计会使其在风浪联合作用下产生复杂的动态响应，容易加剧塔筒和系泊锚链等关键结构的疲劳损伤，影响整机寿命。本文以某型5MW海上浮式风电机组为研究对象，根据国内某海域的风浪实测数据，考虑了风浪环境变量的相依性结构，推导了随机风浪的Copula联合概率分布函数，建立了浮式风电机组系统动力学模型，基于最长相异性距离算法和径向基函数插值法开展了浮式风电机组长期动态响应重构方法研究，基于环境等值线法研究了浮式风电机组极限载荷，分析了风浪联合作用下浮式风电机组短期和长期疲劳损伤。研究结果对评估浮式风电机组动态服役性能和提高浮式风电机组设计优化能力具有重要意义。 论文的主要研究内容如下： ①基于国内某海域的数值后报风浪联合分布统计，采用威布尔分布、伽马分布和对数正态分布三种常用的参数分布构造了风浪的边缘分布函数，以Copula理论为载体建立了风浪联合概率密度分布模型，探究了平均风速、有义波高和谱峰周期的相关性，分析了风浪的随机分布特征。 ②考虑了气动力学模型、水动力学模型、系泊系统和控制系统等子系统间的非线性耦合因素，建立了浮式风电机组系统动力学模型，研究了基于最长相异性距离算法的代表性海况选取方法，并结合浮式风电机组系统动力学模型，利用径向基函数插值法重构了浮式风电机组的动态响应统计特征。 ③结合风浪联合概率分布特征，并考虑超越概率因素，基于逆一次可靠度法和逆二次可靠度法的环境等值线法研究了基于Gumbel极值分布的浮式风电机组长期极限载荷计算方法，分析了不同关键环境工况下浮式风电机组极限载荷变化规律，实现了对浮式风电机组50年重现周期的极限载荷预测。 ④在风浪联合作用下，研究了浮式风电机组塔顶、塔基和系泊锚链等结构的疲劳损伤计算方法，分析了风浪联合作用下浮式风电机组结构的短期和长期疲劳损伤，探究了风浪载荷和风浪夹角等因素对浮式风电机组结构疲劳损伤的影响规律。
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