水下压缩空气储能系统柔性立管的静力学分析与验证

论文摘要

水下压缩空气储能是一种新型的柔性规模化储能技术,适用于沿海城市、岛屿和海上平台。在水下压缩空气储能系统中,柔性立管将压缩空气输送到水下蓄能器,保证系统中高压气体的安全输送和系统的稳定运行。柔性立管在实际应用中存在因载荷过大而断裂的现象,为了研究柔性立管的力学特性,本文的主要研究内容如下。本文基于一个假设的水下压缩空气储能系统指标,参考柔性立管的设计规范,计算了柔性立管的结构参数。在海洋工程软件Orcaflex中建立了两种布局形式下柔性立管的仿真模型:悬链线型和缓波型。分析了不同环境条件和空气压力下悬链线立管和缓波型立管的静/动态力学和形态特性,得到了柔性立管整体的响应特性。并对影响缓波型立管的主要因素进行了敏感度分析,包括浮筒段长度、起始位置、体积等因素,比较分析了不同因素对柔性立管线型、拉力、曲率的影响程度,为柔性立管线型设计提供参考。基于弹性细杆的非线性力学思想,建立了柔性立管的静力学模型,借助于有限元离散化思想和差分法,在不同的边界条件下,静力学模型结果与海洋工程软件Orcaflex仿真结果相比平均误差为9.3%,一定程度上说明静力学模型的合理性。基于模型实验基本相似理论,进行相似性实验,通过三种不同边界条件的验证,静力学模型的平均误差比软件仿真小2.9%,验证了静力学模型比软件仿真对于求解柔性立管静力学特性更为准确。静力学模型有助于计算柔性立管的力学特性,校核柔性立管的强度,避免水下压缩空气储能系统中的柔性立管因为载荷过大而断裂,减小经济损失。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 立管结构研究现状

1.2.2 柔性立管仿真分析研究现状

1.2.3 柔性立管物理建模研究现状

1.3 本文研究内容

2 柔性立管仿真分析

2.1 水下压缩空气储能系统

2.2 柔性立管仿真建模

2.2.1 柔性立管材料参数

2.2.2 仿真模型建立

2.2.3 软件模型原理

2.3 柔性立管静态仿真分析

2.4 柔性立管动态仿真分析

2.5 柔性立管浮筒段参数敏感度分析

2.6 本章小结

3 柔性立管静力学建模与分析

3.1 柔性立管物理模型的建立

3.1.1 柔性立管平衡方程

3.1.2 平衡方程投影式

3.1.3 欧拉参数表示

3.1.4 平衡方程离散

3.1.5 柔性立管Kirchhoff平衡方程

3.1.6 补充边界条件

3.2 数学模型求解算法

3.3 数学模型与软件仿真对比

3.4 本章小结

4 柔性立管静力学模型实验验证

4.1 实验目的

4.2 实验原理

4.3 实验模型计算

4.4 实验系统搭建

4.4.1 传感器的选型

4.4.2 软件系统介绍

4.4.3 实验模型介绍

4.4.4 上下平台设计

4.4.5 实验系统安装

4.4.6 采集系统介绍

4.5 仿真、建模与实验验证

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡博

导师: 熊伟,王旭

关键词: 水下压缩空气储能,柔性立管,缓波形,悬链线,弹性杆理论,相似理论

来源: 大连海事大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连海事大学

分类号: P756.2

DOI: 10.26989/d.cnki.gdlhu.2019.001623

总页数: 65

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