CN110414035A - 一种海上电气平台结构快速优化的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，包括如下步骤：S1)设备空间优化；S2)人工辅助整体布置；S3)主轴网与框架自动生成；S4)结构全工况自动计算；S5)生成各工况的校核计算报告以及可处理出图的数据文件。本发明的优点为：最大程度地简化人工操作步骤，大大降低人为操作失误和片面主观意识可能带来的不利风险；实现包括电气设备信息在内的结构一体化协同设计，优化过程具有针对性、流程性和可重复性；提升项目的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及海上风电开发技术领域，具体涉及一种海上电气平台结构快速优化的设计方法。
背景技术
随着海上风电场的规模以及离岸距离的不断增大，必须设置海上电气平台将海上风机收集到的电能转换、升压再输送到陆地上。在浅、近海一般直接设置海上升压站进行交流输出，在深、远海除设置多座海上升压站外还需再设计交流——直流转换的海上换流站。同传统海洋油气、渔业平台相比，海上电气平台的上部组块内因为需要容纳各类变电设备，其重量较大，特别是对于采用柔性直流技术的换流站平台可达10000吨以上。此外，由于受到海上风电竞争性配置与补贴退坡等开发经济性条件的严格限制，海上电气平台结构设计体系中对房间布置、构件选型、安装方式等的精细化程度要求很高，并且一般项目均设置有比较紧迫的窗口期和时间节点要求，这就给设计工作带来了极大挑战。如果方案不尽合理，则平台上部组块的重量就难以得到有效控制。平台重量直接影响了施工工艺方案的选择，一旦超过可用工程船舶的起吊能力，则只能采用浮托法进行运输与安装，建设成本将显著提升，大大降低工程的经济效益。
现有的海上电气平台设计技术沿用传统海洋平台和陆上变电站的方法，先进行电气布置再进行结构复核，需要多次反复迭代设计，才可以给出满足经济性条件的结构方案。这种设计技术与方法是非协同式的，缺点在于：(1)设计主观性大，设备房间布置的合理性依赖于设计人员的经验，结构校核只能被动地判断设计方案是否满足各项要求，在众多种类的设计约束条件下难以一次性地给出符合全部设计要求的方案；(2)优化设计缺乏指导方向，海上电气平台为钢结构框架体系，当存在局部指标无法满足要求时，单纯地调整局部设备和构件的位置或尺寸很可能无法实现目的反而导致其他位置的结构出现新问题，并且往往会导致构件尺寸不断增大、设计方案愈发保守；(3)优化设计代价大，当设备布置方案或环境参数有重大变更时，全部设计过程需要重新进行一次，造成人力成本和时间成本浪费，而一个项目结构的设计周期往往需要三、四个月。因此，现有的海上电气平台设计技术缺乏高效、合理的优化设计方法，制约了更大规模海上风电开发的进一步实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种协同交互式、全过程辅助自动化、优化整体布置、减少结构总重、缩短设计周期的海上电气平台结构快速优化的设计方法。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，包括如下步骤：
S1)设备空间优化
罗列平台内所有电气及其他设备，按照电气和结构设计要求，依次形成各个最优化的设备立方体空间；
S2)人工辅助整体布置
将各个设备立方体空间定义为长、宽、高尺度可编辑的模块化立方体房间，长、宽、高尺度不小于原有最优尺寸；
同时定义多个矩形工作层，工作层可拖动改变长度和宽度，但不改变形状；存在多个工作层时，各层尺寸按照最大者取齐，允许定义镂空区域；
各模块化立方体房间可被分别置于若干不同工作层进行排列组合；处于同一工作层的各个模块化立方体房间地面，其间除明确定义为镂空区域外的矩形空隙填充铺板，所有铺板厚度自动取为各房间的最大值；当模块化立方体房间大小改变时，其内部次梁和铺板的长度及重量随之变化，该工作层的重心位置同步计算；按照重心位置与几何中心尽量吻合的原则，对上述模块化立方体房间进行人工辅助整体布置，调整至最优情况，形成多层平面布置图；
S3)主轴网与框架自动生成
根据多层平面布置图边框实线形成主梁轴网和墙，与各个模块化设备空间的次梁一起形成梁系，各主梁交点定义为主节点，将各不同工作层中水平坐标误差在1m以内的主节点微调为具有相同的水平坐标，相邻工作层中水平坐标均相同的节点之间形成主柱，并人为补充必要的斜撑或可能存在的其他重力性荷载信息，最终形成上部组块的梁柱框架有限元模型；
S4)结构全工况自动计算
对上述步骤形成的结构进行全工况的分析校核，取构件在各个工况下的使用率(UC)最大值作为其特征值UCmax，分别针对主梁、柱、撑等三类不同类型的构件，根据事先定义的若干可选截面尺寸，以全部构件的UCmax≤1为约束条件，以构件总重量最小为目标进行循环迭代计算，得到最优化的结构设计方案；
S5)针对最优化的结构设计方案生成各工况的校核计算报告以及可处理出图的数据文件。
进一步地，步骤S1)中进行的设备立方体空间优化的方法为：获取各个设备的空间形体图形或数据，按照设备温度、湿度、防火、绝缘等安全间距以及人员安装、操作、检修走道空间等相关标准或规程要求，形成达标的最小三维空间；对该三维空间的水平投影面，根据对应设备的重量、重心位置和覆盖区域施加重力荷载，水平投影面四周取为铰支约束，按照相关标准或规程中对板、梁强度和设备基础垂向变形的要求，以总重量最小为原则设计铺板与次梁，最终形成多个含有铺板、次梁与设备区域信息的模块化设备立方体空间。
进一步地，步骤S2)中人工辅助整体布置通过可视化操作软件实现：各个模块化立方体房间通过三维可视化呈现，可被用户拖入工作层，并通过拉伸操作实现尺寸调整；
软件内置“有相连接线要求的房间必须相邻排列”等约束条件，在用户进行操作过程中禁止违反约束条件的布置方案生成；铺板和次梁长度的变化、空隙铺板的填充、工作层尺寸按最大者取齐、所有铺板厚度自动取为同工作层各房间的最大值、工作层重心位置的计算和显示、生成多层平面布置图等功能均由软件内部程序自动执行。
进一步地，步骤S3)中进行的上部组块主轴网与框架生成通过计算机程序语言自动实现，最终形成可被有限元等结构分析程序识别并读取的文件形式，与之相应的同时生成基础结构几何模型文件、土壤数据文件、环境数据文件和截面库数据文件，一起组成结构分析所需的全部数据信息，其中截面库数据文件的截面组数量是有限的且按照承载力等级依次排序。
进一步地，步骤S4)中进行的结构全工况自动计算核心模块通过计算机程序语言自动实现，具体流程为：将前述步骤中生成的结构分析所需的全部数据信息文件自动地导入核心求解器，各工况下的求解器进行并行处理计算，计算完成后自动读取各个结果文件，得到结构各个构件的UCmax；如果存在UCmax超限的情况则相应地从截面库中选择下一个等级的截面尺寸重新赋予构件，即如果构件UCmax超过1则自动转为高一等级，小于目标UC则自动转为低一等级；针对更新截面配置的结构，重新进行全工况自动计算，直至结构各项UC满足限定要求，得到最优化的结构设计方案。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明最大程度地简化人工操作步骤，仅在最需要发挥人脑特长的整体布置等模块进行人工干预，且干预操作简单，大大降低人为操作失误和片面主观意识可能带来的不利风险。
(2)本发明实现包括电气设备信息在内的结构一体化协同设计，全部设计要素和约束条件均能够以数据信息的形式进行体现和处理，优化过程具有针对性、流程性和可重复性。
(3)本发明通过计算机编程自动化实现，方案调整、参数更新等重大设计变更后重新得到结果的时间大为缩短，使得设计人员能够克服时间成本与人力成本的困扰，尝试对比多种不同风格的设计方案，提升项目的经济效益。
附图说明
图1是本发明一种海上电气平台结构快速优化的设计方法的流程示意图。
图2是本发明一种海上电气平台结构快速优化的设计方法的具体实施例中限流电抗器室设备平面图。
图3是本发明一种海上电气平台结构快速优化的设计方法的具体实施例中限流电抗器室模块化设备空间平面图。
图4是本发明一种海上电气平台结构快速优化的设计方法的具体实施例中一层平面布置框线图。
图5是本发明一种海上电气平台结构快速优化的设计方法的具体实施例中二层平面布置框线图。
图6是本发明一种海上电气平台结构快速优化的设计方法的具体实施例中三层平面布置框线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细的描述。
如图1所示，一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，包括设备空间优化模块、人工辅助整体布置模块、主轴网与框架自动生成模块和结构全工况自动计算核心模块。
一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，包括如下步骤：
S1)设备空间优化
如图2所示，罗列含限流电抗室在内的平台内所有电气及其他设备，按照电气和结构设计要求，按照设备温度、湿度、防火、绝缘等安全间距以及人员安装、操作、检修走道空间等相关标准或规程要求，形成达标的最小三维空间；对该三维空间的水平投影面，根据对应设备的重量、重心位置和覆盖区域施加重力荷载，水平投影面四周取为铰支约束，按照相关标准或规程中对板、梁强度和设备基础垂向变形的要求，以总重量最小为原则设计铺板与次梁，最终形成如图3所示包括限流电抗室在内的多个含有铺板、次梁与设备区域信息的模块化设备立方体空间，其中的节点、构件、板、尺寸以及设备位置、设备重量、设备重心、设备下方垫梁等信息均以名为sacinp.weight的数据文件保存。
S2)人工辅助整体布置
在可视化GUI界面中进行人工辅助整体布置：
(1)将各个设备立方体空间定义为长、宽、高尺度可编辑的模块化立方体房间，长、宽、高尺度不小于原有最优尺寸；新增、编辑、删除矩形工作层，各工作层可拖动改变长度和宽度，但不改变形状；
(2)存在多个工作层时，各层尺寸自动按照最大者取齐，允许定义镂空区域；
(3)读入各个sacinp.weight文件，各个模块化立方体房间通过三维可视化呈现，可被用户拖入工作层，并通过拉伸操作实现尺寸调整，调整房间长度、宽度和位置，但不能小于原有最优尺寸；
(4)各模块化空间位置调整过程中，禁止违反“有相连接线要求的房间必须相邻排列”等约束条件，在用户进行操作过程中禁止违反约束条件的布置方案生成；铺板和次梁长度的变化、空隙铺板的填充、工作层尺寸按最大者取齐、所有铺板厚度自动取为同工作层各房间的最大值、工作层重心位置的计算和显示、生成多层平面布置图等功能均由软件内部程序自动执行；
(5)各模块化立方体房间可被分别置于若干不同工作层进行排列组合；当模块化空间大小被用户拖动改变时，其内部次梁和铺板的尺寸及重量随之变化，该工作层的总重量与重心位置实时显示；
(6)处于同一工作层的各个模块化立方体房间地面，其间除明确定义为镂空区域外的矩形空隙填充铺板，所有铺板厚度自动取为各房间的最大值；
(7)当模块化立方体房间大小改变时，其内部次梁和铺板的长度及重量随之变化，该工作层的重心位置同步计算；按照重心位置与几何中心尽量吻合的原则，对上述模块化立方体房间进行人工辅助整体布置，调整至最优情况；
(8)最终生成并输出如图4-6所示的多层平面布置框线图。
S3)主轴网与框架自动生成
根据多层平面布置图边框实线形成主梁轴网和墙，与各个sacinp.weight文件中储存的模块化设备空间的次梁一起形成梁系，各主梁交点定义为主节点，将各不同工作层中水平坐标误差在1m以内的主节点微调为具有相同的水平坐标，相邻工作层中水平坐标均相同的节点之间形成主柱，并人为补充必要的斜撑或可能存在的其他重力性荷载信息，最终形成上部组块的梁柱框架有限元模型，以名为sacnip.topside的数据文件进行保存；
与之相应的同时生成基础结构的有限元模型文件sacinp.topside、土壤数据文件、环境数据文件和截面库数据文件，一起组成结构分析所需的sacinp、psiinp、seainp等全部数据信息，其中截面库数据文件的截面组数量是有限的且按照承载力等级依次排序。
S4)结构全工况自动计算
对上述步骤形成的结构进行全工况的分析校核，取构件在各个工况下的使用率(UC)最大值作为其特征值UCmax，分别针对主梁、柱、撑等三类不同类型的构件，根据事先定义的若干可选截面尺寸，以全部构件的UCmax≤1为约束条件，以构件总重量最小为目标进行循环迭代计算，得到最优化的结构设计方案；
具体地，将前述步骤中生成的结构分析所需的全部数据信息文件自动地导入核心求解器，各工况下的求解器进行并行处理计算，计算完成后自动读取各个结果文件，得到结构各个构件的UCmax；如果存在UCmax超限的情况则相应地从截面库中选择下一个等级的截面尺寸重新赋予构件，即如果构件UCmax超过1则自动转为高一等级，小于目标UC则自动转为低一等级；针对更新截面配置的结构，重新进行全工况自动计算，直至结构各项UC满足限定要求，得到最优化的结构设计方案。
S5)针对最优化的结构设计方案生成并输出与该设计方案对应的各工况校核计算报告和可进行出图处理的名为sacinp.ism数据文件等。
本实施例中的结构计算采用海洋工程专业计算软件SACS进行，所述sacinp、psiinp、seainp前缀文件均为该软件可识别并处理的有限元模型信息文件。其中基础结构的有限元模型文件依靠SACS软件自带的导管架建模向导快速生成，土壤数据、环境数据和截面库数据根据项目实际情况由人工填入可被软件自动读取的EXCEL表格文件。
本实施例中最终导出的sacinp.ism文件可被同为BENTLEY公司旗下的ProSteel软件读取，形成三维设计模型，经适当的人工修正后可生成设计图纸。
以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。
Claims (5)
1.一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
S1)设备空间优化
罗列平台内所有电气及其他设备，按照电气和结构设计要求，依次形成各个最优化的设备立方体空间；
S2)人工辅助整体布置
将各个设备立方体空间定义为长、宽、高尺度可编辑的模块化立方体房间，长、宽、高尺度不小于原有最优尺寸；
同时定义多个矩形工作层，工作层可拖动改变长度和宽度，但不改变形状；存在多个工作层时，各层尺寸按照最大者取齐，允许定义镂空区域；
各模块化立方体房间可被分别置于若干不同工作层进行排列组合；处于同一工作层的各个模块化立方体房间地面，其间除明确定义为镂空区域外的矩形空隙填充铺板，所有铺板厚度自动取为各房间的最大值；当模块化立方体房间大小改变时，其内部次梁和铺板的长度及重量随之变化，该工作层的重心位置同步计算；按照重心位置与几何中心尽量吻合的原则，对上述模块化立方体房间进行人工辅助整体布置，调整至最优情况，形成多层平面布置图；
S3)主轴网与框架自动生成
根据多层平面布置图边框实线形成主梁轴网和墙，与各个模块化设备空间的次梁一起形成梁系，各主梁交点定义为主节点，将各不同工作层中水平坐标误差在1m以内的主节点微调为具有相同的水平坐标，相邻工作层中水平坐标均相同的节点之间形成主柱，并人为补充必要的斜撑或可能存在的其他重力性荷载信息，最终形成上部组块的梁柱框架有限元模型；
S4)结构全工况自动计算
对上述步骤形成的结构进行全工况的分析校核，取构件在各个工况下的使用率(UC)最大值作为其特征值UCmax，分别针对主梁、柱、撑等三类不同类型的构件，根据事先定义的若干可选截面尺寸，以全部构件的UCmax≤1为约束条件，以构件总重量最小为目标进行循环迭代计算，得到最优化的结构设计方案；
S5)针对最优化的结构设计方案生成各工况的校核计算报告以及可处理出图的数据文件。
2.根据权利要求1所述的一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，其特征在于：
步骤S1)中进行的设备立方体空间优化的方法为：获取各个设备的空间形体图形或数据，按照设备温度、湿度、防火、绝缘等安全间距以及人员安装、操作、检修走道空间等相关标准或规程要求，形成达标的最小三维空间；对该三维空间的水平投影面，根据对应设备的重量、重心位置和覆盖区域施加重力荷载，水平投影面四周取为铰支约束，按照相关标准或规程中对板、梁强度和设备基础垂向变形的要求，以总重量最小为原则设计铺板与次梁，最终形成多个含有铺板、次梁与设备区域信息的模块化设备立方体空间。
3.根据权利要求1所述的一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，其特征在于：
步骤S2)中人工辅助整体布置通过可视化操作软件实现：各个模块化立方体房间通过三维可视化呈现，可被用户拖入工作层，并通过拉伸操作实现尺寸调整；
软件内置“有相连接线要求的房间必须相邻排列”等约束条件，在用户进行操作过程中禁止违反约束条件的布置方案生成；铺板和次梁长度的变化、空隙铺板的填充、工作层尺寸按最大者取齐、所有铺板厚度自动取为同工作层各房间的最大值、工作层重心位置的计算和显示、生成多层平面布置图等功能均由软件内部程序自动执行。
4.根据权利要求1所述的一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，其特征在于：
步骤S3)中进行的上部组块主轴网与框架生成通过计算机程序语言自动实现，最终形成可被有限元等结构分析程序识别并读取的文件形式，与之相应的同时生成基础结构几何模型文件、土壤数据文件、环境数据文件和截面库数据文件，一起组成结构分析所需的全部数据信息，其中截面库数据文件的截面组数量是有限的且按照承载力等级依次排序。
5.根据权利要求1所述的一种海上电气平台结构快速优化的设计方法，其特征在于：
步骤S4)中进行的结构全工况自动计算核心模块通过计算机程序语言自动实现，具体流程为：将前述步骤中生成的结构分析所需的全部数据信息文件自动地导入核心求解器，各工况下的求解器进行并行处理计算，计算完成后自动读取各个结果文件，得到结构各个构件的UCmax；如果存在UCmax超限的情况则相应地从截面库中选择下一个等级的截面尺寸重新赋予构件，即如果构件UCmax超过1则自动转为高一等级，小于目标UC则自动转为低一等级；针对更新截面配置的结构，重新进行全工况自动计算，直至结构各项UC满足限定要求，得到最优化的结构设计方案。
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| CN111241619A (zh) * | 2020-01-09 | 2020-06-05 | 华东师范大学 | 一种规则驱动的协同交互式空间布局自动设计方法 |
| CN113849887A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-12-28 | 山东电力工程咨询院有限公司 | 海上风电基础设计输入输出的优化方法及系统 |
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| CN110414035B (zh) | 2023-08-18 |
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