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摘 要

本文基于有限元软件ABAQUS对风电安装沉桩过程中桩体振动特性的进行计算分析。本文以水下钢制桩体圆柱壳为主要研究的对象,对圆柱壳体的固有振动特性变化规律进行了分析,讨论稳态激励、冲击激励下钢制桩体的固有振动特性规律，开展圆柱壳体结构的声振特性分析。

针对典型钢制细长圆柱壳桩体结构，采用有限元软件ABAQUS对流体中的圆柱壳结构进行动力学模型建立。针对水下钢制圆柱壳结构，采用有限元软件ABAQUS对其振动特性进行计算。包括圆柱壳桩体结构的干模态（固有频率、振型）、外侧有水时湿模态（固有频率、振型）、内外有水时湿模态（固有频率、振型）。采用有限元软件ABAQUS对稳态轴向激励下的圆柱壳桩体结构的稳态振动进行计算分析。讨论了结构参数、激励力偏心及嵌入饱和土介质深度等对圆柱壳振动特性的影响研究。采用有限元软件ABAQUS对瞬态冲击激励下的圆柱壳桩体结构的瞬态振动进行计算分析。讨论了结构参数、激励力偏心及嵌入饱和土介质深度等对圆柱壳振动特性的影响研究。

关键词：海上沉桩；圆柱壳；振动；

Abstract

In this paper, based on the finite element software ABAQUS, the calculation and analysis of the pile vibration characteristics during the installation of piles in wind power installations. This article takes the underwater steel pile cylindrical shell as the main research object, analyzes the change law of the natural vibration characteristics of the cylindrical shell, discusses the natural vibration characteristics of the steel pile body under steady excitation and impact excitation, and develops the cylindrical Analysis of the acoustic and vibration characteristics of the shell structure.

Aiming at the typical steel slender cylindrical shell pile structure, the finite element software ABAQUS is used to establish the dynamic model of the cylindrical shell structure in the fluid. For the underwater steel cylindrical shell structure, the finite element software ABAQUS was used to calculate its vibration characteristics. Including the dry mode (natural frequency, mode) of the cylindrical shell pile structure, the wet mode (natural frequency, mode) with water on the outside, and the wet mode (natural frequency, mode) with water on the inside and outside. The finite element software ABAQUS was used to calculate and analyze the steady-state vibration of the cylindrical shell pile structure under steady-state axial excitation. The effects of structural parameters, eccentricity of excitation force and depth of embedded saturated soil medium on the vibration characteristics of cylindrical shells are discussed. The finite element software ABAQUS was used to calculate and analyze the transient vibration of the cylindrical shell pile structure under the excitation of transient impact. The effects of structural parameters, eccentricity of excitation force and depth of embedded saturated soil medium on the vibration characteristics of cylindrical shells are discussed.

Key Words：Offshore Pile Driving；cylindrical shell；vibration

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究对象及意义 1

1.1.1 风电安装沉桩概述 1

1.1.2 管桩结构 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容 4

1.4 研究目标 4

1.5技术方案 4

第2章 圆柱壳的数值模型 5

2.1流固耦合计算模型 5

2.1.1 流固耦合方程 5

2.1.2 边界元方程 5

2.1.3 研究对象 6

第3章 钢制空心圆柱管桩的固有振动特性 7

3.1 圆柱壳模型 7

3.1.1 基本参数 7

3.1.2圆柱壳模型 7

3.1.3 嵌入饱和土模型 14

3.1.3 圆柱壳模型外侧有水 18

3.1.4 圆柱壳湿模态 23

第4章 钢制空心圆柱管桩的稳态振动特性 26

4.1 稳态响应计算 26

4.2荷载作用的影响 31

4.3 圆柱壳长径比参数的影响 35

4.4 圆柱壳嵌入土体深度的影响 39

第5章 钢制空心圆柱管桩的瞬态振动特性 43

5.2荷载作用的影响 48

5.3 圆柱壳长径比参数的影响 51

5.4 圆柱壳嵌入土体深度的影响 55

第6章 结论 59

6.1 固有振动 59

6.2 稳态振动 59

6.3 瞬态振动 59

参考文献 61

致 谢 63

第1章 绪论

本章结合风电安装沉桩过程的实际情况与复杂环境，介绍了圆柱壳结构的实用性与工程结合度，并着重对圆柱壳结构在工程实际应用中的一种表现形式——管桩结构进行介绍。同时，对结构固有特性以及圆柱壳结构振动特性的研究现状和方法作总结，针对以水下钢质的圆柱壳结构为研究对象，分析了圆柱壳结构的固有振动特性，讨论了有限元方法的具体展开。针对有限元方法的应用和水下钢制圆柱壳结构的特性制定了相应的技术方案。

1.1 研究对象及意义

1.1.1 风电安装沉桩概述

随着科技发展和能源需求，社会可持续发展的需要，新能源的发展日趋严峻。在工业发展与环境的先前历史背景下，探索和开发绿色能源是社会可持续发展的必然要求。在绿色能源快速发展的过程中，由于其绿色，环保，适应性强等因素，风能在世界范围内逐渐增加。

风能在相关探索中发现与常用的太阳能、核能相比，在探索开发过程中拥有较高的转化效率，考虑成本、地理优势、技术发展等因素，风能的发展规模正呈扩大趋势，可满足部分能源的需求与使用。综上优势，风能成为世界上具有发展潜力的绿色能源之一，全球风能发电行业得以有长足的发展空间，中国相应产业正紧跟其后。在风能发电领域中，海上风能发电由于其独特的地理优势和发电效率等原因，相关开采平台正处于大规模建设阶段。

海上风能发电开采平台建设过程中，以桩基建设为主的施工方案因其具有相当的承载能力，在施工过程中具有快速施工、沉降量小等诸多优点，在海上基础设施建设中广泛应用。在风电沉桩安装过程中，常会受到多种荷载的共同作用，如风荷载、地震荷载等动力荷载，考虑这些使得安装过程中，桩的受力形式变得更加复杂。

1.1.2 管桩结构

管桩结构是一种新型桩基础结构，其最为明显的特征为管桩结构为典型的圆柱壳结构，呈界面中空状。现今管桩结构的主要表现形式有：预应力混凝土管桩、钢管桩、预应力混凝土薄壁管桩等。与传统的实心桩相比较，良好的抗弯性能、较高的单桩承载力、简易的施工工艺、相较而言低廉的成本以及便于运输的较小质量，使得管桩的优势明显，在相关领域被广泛应用。

海上风能开采平台的建设过程中，考虑其复杂的受力形式与特殊的环境因素，对结构的基础强度要求和施工材料、结构优化等诸多方面都更加严格。具有较好抗弯性能、运输便利、承载力高等优势的钢管桩成为海上平台建设的主要基础形式之一。在探索研究过程中，由于地震波的作用，管桩的实际力学响应分析还停留在半经验半理论阶段，在现今管桩大规模使用的背景下，管桩相关的理论研究与实践探索成为亟需解决的问题之一。

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