臺灣博碩士論文加值系統

我國風力發電產業尚處於起步階段，海事工程的施工技術與能量不若歐洲先進國家，且無相關設計建置經驗與技術，相關施工機具亦於建置階段。因此，本研究針對高強度鋼材應用於離岸風機支承結構之適用性進行評估，期能以高強度鋼材施作小管徑之支承結構取代原先的大口徑支承基礎結構。而離岸風機支承結構多為鋼鐵材料，其材料特性影響支承結構行為極大。為掌握離岸風機支承結構於風、浪、潮、流等海洋環境作用力下之行為，本研究以有限元素軟體，針對極限載重條件(ULS)下之單柱離岸風機支承基礎結構進行分析，評估管徑、管壁厚、鋼材對支承結構受力變形反應及結構內應力分佈之影響。本研究應用Patran軟體建立模型幾何形狀，並切割元素網格，以ABAQUS軟體進行有限元素運算。由數值分析結果得知，改變鋼材種類對於支承結構受力變形反應與鋼管內部應力分佈無顯著影響。單樁型式之離岸風機於極限載重條件(ULS)下，採用S355M鋼材施作支承結構已足夠確保支承結構的安全性。若採用S355M、S460M及S690QL1三種鋼材強度製成管徑D=3m、4m及5m之支承結構，其變形量皆可滿足規範對於轉角之要求(θ≦0.5度)。支承結構傾斜角度受管徑、管壁厚及鋼材特性影響，其中以改變管徑大小對支承結構傾斜角度影響最為顯著。經由本研究之分析結果，對於單樁及單柱型式之離岸風機支承結構，採用高強度鋼材並無顯著的優點，其餘形式之離岸風機則須進一步評估。

In this study, the suitability of high-performance steel for the support structure of offshore wind turbine is evaluated. Because of its high strength, the support structure with small-diameter piles may become possible. Steel is the main material used in the support structure of offshore wind turbine. The overall behavior of support structure is significantly affected by its material properties. To understand the behavior of a support structure with monopile foundation under the environmental forces, such as wind, waves, currents, etc., a numerical model of support structure is built using finite element method. The effects of diameter, wall thickness, and yield strength of the steel on the behavior of support structure then are studied.

摘要 I
Extended Abstract II
誌謝 V
目錄 VI
表目錄 VIII
圖目錄 IX
符號說明 XI
第一章 緒論 1
1-1研究背景 1
1-2研究架構及方法 1
第二章 鋼鐵材料特性 3
2-1鋼鐵概述 3
2-2鋼管製作流程 4
2-3鋼材機械性能 4
2-3-1強度(Strength) 4
2-3-2韌性(Toughness) 7
2-3-3延性(Ductility) 7
2-3-4可銲接性(Weldability) 7
2-4鋼材破損 8
2-5離岸風機支承基礎結構之鋼材需求 9
2-5-1離岸風機支承基礎結構鋼材規範 10
第三章 離岸風機支承基礎結構 13
3-1離岸風機整體結構概述 13
3-2單樁基礎(monopile)型式之離岸風機 15
3-2-1接合元件 16
3-2-2過渡元件(transition piece) 18
3-2-3接合材料 20
3-2-4接合元件疲勞破壞 21
3-3設計方法 24
3-4載重效應分析 26
第四章 有限元素數值模型 27
4-1有限元素分析軟體 27
4-1-1數值模型建立流程 27
4-2單柱支承基礎結構模型 28
4-2-1樁土材料參數 31
4-2-2樁土介面接觸設定 32
4-2-3施加作用力 33
4-2-4網格之收斂性 34
第五章 單柱支承基礎結構受靜態側向作用力之行為 36
5-1不同作用力高程與鋼材種類對最大應力位置之影響 37
5-2單柱支承結構最大應力分析 39
5-2-1不同管徑之最大應力分析 39
5-2-2不同鋼材之最大應力分析 41
5-2-3不同管壁厚之最大應力分析 43
5-3單樁及單柱支承結構變形分析 45
5-3-1管徑對變形量之影響 45
5-3-2鋼材強度對變形量之影響 48
5-3-3管壁厚對變形量之影響 50
5-3-4管徑與管壁厚對樁身傾斜角度之影響 52
5-4接合元件上下端之應力分析 54
第六章 結論與建議 57
6-1結論 57
6-2建議 57
參考文獻 58
附錄A 61
附錄B 62
附錄C 69

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