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原文传递海上风电安装船八边形桩腿设计和制造若干关键问题的研究

论文题名：	海上风电安装船八边形桩腿设计和制造若干关键问题的研究
关键词：	风电安装船;八边形桩腿;电磁感应;正交试验;结构轻量化
摘要：	扩大建设海上风电是我国解决能源危机、调整能源结构、实现“双碳目标”的重要国家战略。我国海岸线长，海底地质条件复杂，风大、浪高、流急、台风频发，大型风电设备年有效施工窗口期短，安装难度极大。制造出抗风浪性能佳、安装效率好、安全系数高的海上风电安装船，是解决海上风电场建设的“卡脖子”难题的重要途径。　　桩腿是自升自航式海上风电安装船的关键部件，使风电安装船主船体可以升离海平面获得平稳的安装环境。八边形截面的桩腿作为一种新的壳式桩腿形式，制造装配工艺良好，相比圆形桩腿空间利用率更高，整体强度更高，可有效避免应力集中问题。　　本文以某自升自航式风电安装船的八边形桩腿为研究对象，围绕结构低应力、轻量化、高可靠性的目标，对其设计与制造的若干关键问题进行了如下研究：　　1．针对八边形桩腿制造过程中产生冷裂变形的焊接缺陷问题，提出了焊前精确模块式选区感应预热方法，基于电磁－热耦合仿真方法研究了三种不同的感应电流加载方式对温度场的影响，通过优化线性电流加载幅度，得到满足规范要求的均匀温度场，对八边形桩腿焊接制造工艺改良具有一定的理论指导价值。　　2．针对八边形桩腿设计过程中如何对结构安全进行合理评估的问题，建立了主船体和八边形桩腿的等刚度简化模型并加载了风浪流载荷，进行了梁单元静态分析，获得桩腿在各浪向角下的位移和弯矩值；建立板单元对桩腿外板进行了静态应力分析和屈服强度校核，结果表明：八边形桩腿满足整体刚度和强度要求；桩腿整体屈服强度储备冗余度偏高；进行模态分析，结果表明桩腿自振周期远小于海浪周期，共振风险小。　　3．针对动载荷导致桩腿出现危险工况的风险，基于刚性固定模型进行了动态响应分析，并计算位移和应力放大系数，结果表明桩腿在动载荷作用下的位移和应力均比静态结果偏大，动态响应分析是桩腿结构评估过程中不可缺少的部分。以动力放大系数为试验指标对四个工况因素进行正交试验，结果表明作业水深和波高是动力响应的主要敏感因素，浪向角和静水气隙是动力响应的次要敏感因素。　　4．针对桩腿屈服强度储备冗余度偏高的情况，以八边形桩腿的围板壁厚、导向板壁厚、平台隔板壁厚、平台隔板主肋壁厚、围板肋壁厚为优化变量，对桩腿结构的质量进行了优化分析，优化桩腿的整体质量相比原设计方案降低19.3%，初步达到了轻量化、降低应力冗余的目标。　　综上，本文对海上风电安装船的新型壳式桩腿——八边形桩腿的设计和制造若干关键问题进行了研究，为八边形桩腿的自主设计制造和结构优化改良提供了一定的参考依据。
作者：	赖柏豪
专业：	机械工程
导师：	张永康;王振刚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2022