CN110847210A - 一种海上风机基础结构以及轻量化设计方法 - Google Patents

一种海上风机基础结构以及轻量化设计方法 Download PDF

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韩翔宇
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Abstract

本申请公开了一种海上风机基础结构以及轻量化设计方法，包括导管架，所述导管架底部固定在四条桩柱上，顶部设有过渡块，所述过渡块上设有风机塔筒，所述导管架包括四个桩腿和交叉结构，所述交叉结构设置在桩腿之间，所述交叉结构设有五层，包括X形和K形结构。其优点在于，改变了传统的导管架的安装结构，并通过建立连续体模型，对连续体结构直接优化，得到合理的传力路径的桁架类结构，在减轻了导管架结构重量的同时，整体受力更均匀，提高了工作安全系数。

Description

一种海上风机基础结构以及轻量化设计方法
技术领域
本发明涉及风力发电基础设备领域，尤其是一种海上风机基础结构以及轻量化设计方法。
背景技术
随着近些年绿色经济的提出以及海上新能源的大力开发，对风机基础结构的设计又提出了新的要求：提高结构性能，降低生产制造成本。对于传统海上风机基础结构的设计制造，为保证资源开采的正常进行以及工作人员的安全，平台往往设计得较为保守，粗大而且笨重，并且整体受力不均匀；相应地，生产、安装等费用就高。而以往对平台结构的优化往往是在基于原有平台的基础上，对风机基础结构尺寸、位置等做有限的修整，优化的效果不是特别明显。随着近些年结构拓扑优化技术的发展，尤其是连续体的优化方面，优化速度、规模都有很大的提高。对于桁架类结构的拓扑优化，可以直接通过建立连续体模型，通过对连续体结构直接优化，得到合理的传力路径的桁架类结构，适用于海洋工程结构物的设计研究。
发明内容
本发明的目的在于解决上述存在的技术问题，提出了一种海上风机基础结构及其轻量化设计方法，通过该方法优化后的模型在减轻一定重量的前提下，应力也有一定程度的减小，且结构整体的应力分布更加均匀。技术内容为：
一种海上风机基础结构，包括导管架，导管架底部固定在四条桩柱上，顶部设有过渡块，所述过渡块上设有风机塔筒；导管架包括四个桩腿和交叉结构，交叉结构设置在桩腿之间，交叉结构设有五层，包括X形和K形结构。
交叉结构包括从上至下依次为第一层交叉结构、第二层交叉结构、第三层交叉结构、第四层交叉结构和第五层交叉结构；第二层交叉结构为K形；第五层交叉结构为X形，且中间点不在X的交点处。
桩腿包括从上至下依次为第一支撑桩腿、第二支撑桩腿、第三支撑桩腿、第四支撑桩腿和第五支撑桩腿，其外径相同，壁厚不同。
一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，包括以下步骤：
(1)对海上风机基础结构进行初始化建模，确定初始设计区域；
(2)分析海上风机基础结构所受的环境载荷；
(3)在风机基础结构上施加边界条件，边界条件包括固定约束、工作载荷和环境载荷；
(4)确定优化目标，以风机基础结构的最大刚度为目标，约束导管架的体积分数和最大位移；
(5)对海上风机基础结构进行拓扑优化；
(6)对拓扑优化得到的导管架进行形状和尺寸优化；
(7)分析优化前后的海上风机基础结构，并进行静态应力和位移、各阶频率和极限承载能力等方面的比较；
(8)满足要求，则输出最终优化的结构模型，若不符合要求，重复步骤(5) 至(7)，直到符合要求。
步骤(2)中，所述环境载荷包括海风载荷、波浪载荷和海流载荷，计算步骤为：
用
Figure BDA0002277302990000021
来表示不同高度下的风速，具体风速的表达式为：
Figure BDA0002277302990000022
则作用在风机塔筒上风力载荷为：
Figure BDA0002277302990000031
其中，ρa-空气密度，大小为1.05Kg/m3；CD,T-阻力系数，大小为1；D(z) 锥形塔筒在高度z处的直径；z为测量点到海平面的距离；zr为风机塔筒顶部高度；a为粗糙因子，为0.115；
所述导管架在波浪载荷区单位长度的波浪载荷为计算过程如下：
速度势函数：
Figure BDA0002277302990000032
其中k为波数，w为角频率；
波面方程：
Figure 1
波速q：
Figure BDA0002277302990000034
根据波高与波面的关系，即H＝η|θ＝0-η|θ＝π得到：
Figure BDA0002277302990000035
同时根据波速可以得到
Figure BDA0002277302990000036
已知波高H、周期T和水深d后，求解可得系数λ和波长L；
对于导管架的直径D≤0.2λ的情况，采用莫里森方程计算波流力，计算公式为：
Figure BDA0002277302990000037
其中，ρw-海水密度，大小为1030kg/m3；CM、CD-惯性力系数和拖曳力系数，分别取值为2.0和0.65；u(z,t)-水质点速度；-水质点加速度，通过斯托克斯五阶波浪理论推导得出；
导管架受到的海流载荷利用莫里森方程求得：
Figure BDA0002277302990000042
式中，uc,MSL-海面水流流速，单位m/s；d-水深，单位为m。
步骤(3)中，对海上风机基础结构模型的约束是在桩柱底端施加四个固定约束点，对桩柱底端的四个面进行对称约束。
步骤(3)中，桩柱与海床土壤之间的作用力转化为6-8倍的桩柱向海床内延伸的实际距离，并在桩柱最底部进行固定约束。
步骤(3)中，海风载荷作用于导管架上方的风机塔筒、风机以及设计区域高于海平面部分；波浪载荷作用于设计区域位于海平面处的部分；海流载荷作用于设计区域低于海平面的部分；对于风机产生的风载以及风机塔筒上方的涡轮机、叶片的质量等效为集中质量点施加到塔筒结构上方。
步骤(4)中刚度优化的数学模型为：
Figure BDA0002277302990000043
式中U表示海上风机基础结构模型整体位移矩阵，F表示海上风机基础结构模型整体力矩阵，K表示海上风机基础结构模型整体刚度矩阵，ue和ke分别表示单元的位移矢量和刚度矩阵，x表示设计变量的向量，xmin是相对密度的最小向量，N是设计区域离散化的单元数量，p是惩罚因子，V(x)和V0分别为导管架体积、设计区域体积，f为规定的容积率。
步骤(5)中，采用变密度法进行拓扑优化，通过调整公式(1)中的密度阈值得到海上风机基础结构模型，调整密度阈值，优化出导管架结构。
有益效果
通过本发明所述的方法优化后的结构的重量有很大程度的降低，而且相比于优化前的模型，优化后的模型的应力分布更加均匀，满足了轻量化的要求，同时保证了应力和位移。
附图说明
图1为现有技术海上风机基础结构主视图；
图2为现有技术导管架节点以及与支撑桩腿连接点高度分布示意图；
图3为设计拓扑优化区域示意图；
图4为本申请载荷约束分布图；
图5为本申请拓扑优化过程图；
图6为本申请导管架节点以及与支撑桩腿连接点高度分布示意图；
图7为本申请结构示意图。
其中：1-桩柱；2-支撑桩腿；21-第一支撑桩腿；22-第二支撑桩腿；23-第三支撑桩腿；24-第四支撑桩腿；25-第五支撑桩腿；3-交叉结构；31-第一层交叉结构；32-第二层交叉结构；33-第三层交叉结构；34-第四层交叉结构；35-第五层交叉结构；4-过渡块；5-风机塔筒；6-横撑；Ⅴ-设计区域。
具体实施方式
一种海上风机基础结构，包括导管架，导管架底部固定在四条桩柱1上，顶部设有过渡块4，过渡块4上设有风机塔筒5；导管架底部设有横撑6，导管架包括围成锥形结构的四条支撑桩腿2，支撑桩腿2之间设有交叉结构3，交叉结构3包括从上至下依次为第一层交叉结构31、第二层交叉结构32、第三层交叉结构33、第四层交叉结构34和第五层交叉结构35，其结构形状依次为X形、 K形、X形、X形和X形结构；第五层交叉结构35的X形结构的中间点位于X 的交点处偏低的位置。
支撑桩腿2包括第一支撑桩腿21、第二支撑桩腿22、第三支撑桩腿23、第四支撑桩腿24和第五支撑桩腿25，如图6-7所示，第一支撑桩腿21为节点Z1-Z3 之间的距离；第二支撑桩腿22为节点Z3-Z4之间的距离；第三支撑桩腿23为节点Z4-Z7之间的距离；第四支撑桩腿24为节点Z7-Z8之间的距离；第五支撑桩腿25为节点Z8-Z11之间的距离；第一支撑桩腿21、第二支撑桩腿22、第三支撑桩腿23、第四支撑桩腿24和第五支撑桩腿25的壁厚不同，外径相同。
一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，包括以下步骤：
(1)利用HyperMesh软件对海上风机基础结构进行初始化建模，确定初始设计域，建立如图1所示的连续体海上风机基础结构模型；
本发明中，优化前的导管架结构如图1-2所示，其中优化前海上风机基础结构各部件管外径及壁厚分布如表1所示；支撑桩腿顶部为L1到L4之间的距离；支撑桩腿底部为L4到L5之间的距离；桩柱为L7到L8之间的距离。
表1优化前海上风机基础各部件管外径及壁厚
Figure BDA0002277302990000061
本发明中，优化前的导管架的交叉结构节点及其连接点高度如表2所示；
表2导管架结构节点及其连接点高度
节点及中间连接点 高度值(m)
L1 15.651
L2 4.378
L3 -8.922
L4 -24.614
L5 -43.127
L6 -44.001
L7 -45000
L8 -57.500
X1 10.262
X2 -1.958
X3 -16.371
X4 -33.373
(2)分析海上风机基础结构所受的环境载荷；
本实例中采用在极限工况下的海风载荷P4、波浪载荷P3、海流载荷P2对海上风机基础结构模型进行拓扑优化分析，以下对单位面积的海风载荷P4、波浪载荷P3和海流载荷P2进行分析和计算；
用
Figure BDA0002277302990000073
来表示不同高度下的风速，具体风速的表达式为：
则作用在风机塔筒5上海风载荷P4为：
Figure BDA0002277302990000072
其中，ρa-空气密度，大小为1.05Kg/m3；CD,T-阻力系数，大小为1；D(z) 锥形风机塔筒在高度z处的直径；z为测量点到海平面的距离；zr为风机塔筒顶部高度；a为粗糙因子，为0.115；
所述导管架在波浪载荷区单位长度的波浪载荷P3计算过程如下：
速度势函数：
Figure BDA0002277302990000081
其中k为波数，w为角频率；
λ1＝λA11+λ3A13+λ5A15；λ2＝λ2A22+λ4A24；λ3＝λ3A33+λ5A35；λ4＝λ4A44；λ5＝λ5A55；
Figure BDA0002277302990000082
Figure BDA0002277302990000083
Figure BDA0002277302990000084
Figure BDA0002277302990000085
Figure BDA0002277302990000086
波面方程：
Figure 2
其中λ1＝λ；λ2＝λ2B22+λ4B24；λ3＝λ3B33+λ5B35；λ4＝λ4B44；λ5＝λ5B55；
Figure BDA0002277302990000088
Figure BDA0002277302990000089
Figure BDA00022773029900000810
Figure BDA00022773029900000811
波速q：
Figure BDA00022773029900000812
其中：
Figure BDA0002277302990000091
定义c≡coshkd，s≡sinhkd；
根据波高与波面的关系，即H＝η|θ＝0-η|θ＝π得到：
Figure BDA0002277302990000092
同时根据波速可以得到
Figure BDA0002277302990000093
已知波高H、周期T和水深d后，求解可得系数λ和波长L；
对于导管架的直径D≤0.2λ的情况，采用莫里森方程计算波流力，计算公式为：
Figure BDA0002277302990000094
其中，ρw-海水密度，大小为1030kg/m3；CM、CD-惯性力系数和拖曳力系数，分别取值为2.0和0.65；
u(z,t)-水质点速度，
Figure BDA0002277302990000095
-水质点加速度，通过斯托克斯五阶波浪理论推导得出；
导管架受到的海流载荷P2利用莫里森方程求得：
Figure BDA0002277302990000096
式中，uc,MSL-海面水流流速，单位m/s；d-水深，单位为m。
(3)在风机基础结构上施加边界条件，边界条件包括固定约束、工作载荷和环境载荷；
在海上风机基础结构模型上施加边界条件如图4所示，海床土壤对桩柱1 作用为固定约束P1，对海上风机基础结构模型的约束是在桩柱1底端施加四个固定约束点，对桩柱1底端的四个面进行对称约束；
桩柱1与海床土壤之间的约束力为6-8倍海床面到L8的实际距离，并在桩柱1最底部进行固定约束，本实施例以6倍的海床面到L8的距离计算；
海上风机基础结构模型的环境载荷和工作载荷，环境载荷包括海流载荷P2、波浪载荷P3和风力载荷P4，其中海风载荷P4为作用于导管架上方的风机塔筒 5、风机以及设计区域V高于海平面部分，波浪载荷P3为作用于设计区域位于海平面处的部分，海流载荷P3为作用于设计区域低于海平面的部分；对于风机产生的风载以及风机塔筒5所受的风载质量点P5等效集中施加到风机塔筒5结构顶部，并附加力矩。
(4)确定优化目标，以风机基础结构的最大刚度为目标，约束导管架的体积分数和最大位移；
本发明以结构的刚度最大化，作为优化的目标函数，以结构整体的体积约束作为优化的约束条件，刚度优化的数学模型表示为：
Figure BDA0002277302990000101
式中U表示海上风机基础结构模型整体位移矩阵，F表示海上风机基础结构模型整体力矩阵，K表示海上风机基础结构模型整体刚度矩阵，ue和ke分别表示单元的位移矢量和刚度矩阵，x表示设计变量的向量，xmin是相对密度的最小向量，N是设计区域离散化的单元数量，p是惩罚因子，V(x)和V0分别为导管架体积、设计区域V体积，f为规定的容积率。
(5)对海上风机基础结构进行拓扑优化；
本实施例中，采用OptiStruct软件作为拓扑优化软件，优化区域见图3所示；采用变密度法和MMA数值求解方法进行海上风机基础结构模型的拓扑优化，常见的密度刚度差值方法包括SIMP差值模型和RAMP差值模型；将第二步中分析的环境载荷，海风载荷P4和本步骤中得到的波流耦合出的载荷方程，通过在优化软件中建立局部坐标系，根据第三步中分析的各载荷的施加位置，施加按照函数规律分布的压力载荷；通过调整密度阈值，所示即第四步数学模型中的x，得到重建后的海上风机基础结构模型，调整密度阈值，优化出导管架结构，得到拓扑优化后的海上风机基础结构模型，优化过程中导管架体积逐渐减小，导管架柔度不断提升，如图5所示。
(6)对拓扑优化得到的导管架进行形状和尺寸优化；
通过第五步的拓扑优化仅仅得到了设计区域V的结构形式，在本步骤中，为了使模型更加接近真实的海上风机基础结构，模拟海上风机基础结构模型中导管架的尺寸，包括导管的直径、壁厚尺寸数值，将上述数值输入ANSYS软件，对重建的模型进行形状和尺寸优化，优化的目的是使海上风机基础结构模型的形状和尺寸更加完善，轻量化，体积最小。
(7)分析优化前后的海上风机基础结构，并进行静态应力和位移、各阶频率和极限承载能力等方面的比较；采用真实的海洋环境参数，利用ANSYS软件，对比分析初始设计的设计域模型与经过第七步优化后的设计域模型的静态性能和动态性能。
(8)满足要求，则输出最终优化的结构模型，若不符合要求，重复步骤(5) 至(7)，直到符合要求,得出优化结构模型，图7所示。
根据上述步骤得到一种海上风机基础结构，对本发明的具体结构特征进行详细说明。
本发明的导管架式海上风机基础结构为四桩导管架基础结构，设计水深为 50m，此海上风机基础结构的主要作用是将风机产生的载荷传递到海床上；与此同时，基础结构本身所受的水动力和空气动力载荷也传递给海底。本发明的海上风机基础结构包括风机塔筒5、过渡块4、交叉结构3、支撑桩腿2和桩柱1；海上风机的风机塔筒5结构高度约为68m，重量约为260t；风机塔筒5结构通过螺栓和法兰盘和过渡块4连接在一起，起着连接风力涡轮机和导管架基础结构的作用，随着高度的增加，风机塔筒5的外径和壁厚也逐渐减小，呈锥形分布；整个导管架和风机塔筒5采用高强度钢，过渡块4采用混凝土构成，支撑桩腿2和桩柱1通过混凝土固定连接。
本发明的优化后结构如图6-7所示，其中ZX代表每层导管架结构的中间连接点到海平面的高度；Z代表交叉结构3与支撑桩腿2连接点到海平面的高度，本申请导管架包含五层交叉结构，每层导管架结构节点及其连接点信息如表3 所示：
表3导管架结构节点及其连接点高度
Figure BDA0002277302990000121
Figure BDA0002277302990000131
由表3中可知第一层交叉结构31结构呈现扁平状，而第二层交叉结构32 结构为K字型、第三层交叉结构33、第四层交叉结构34和第五层交叉结构35 结构与现有技术相比则是调整了各自在交叉结构3结构中的高度位置，其中，第五层交叉结构35结构的中间连接点偏下，为非典型的X结构；整个导管架在承担波流载荷的同时，结构还要承担整个海上风机结构的重量。
本发明中各管结构的分布如图7所示，其中外径和壁厚的数据如表4所示：
表4外径及壁厚
管类结构 外径(D)m 壁厚(T)m
过渡块 0.966 0.026
第一支撑腿 0.966 0.039
第二支撑腿 0.966 0.045
第三支撑腿 0.966 0.041
第四支撑腿 0.966 0.054
第五支撑腿 0.966 0.062
第一层交叉结构 0.352 0.019
第二层交叉结构 0.352 0.019
第三层交叉结构 0.352 0.016
第四层交叉结构 0.352 0.016
第五层交叉结构 0.352 0.016
对比表1和表4可以得出，优化后的海上风机基础结构重量减轻了，体积变小了。
以上对本发明所提供的海上风机基础结构的轻量化设计方法及其优化的结构特征进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种海上风机基础结构，包括导管架，所述导管架底部固定在四条桩柱上，顶部设有过渡块，所述过渡块上设有风机塔筒；其特征在于，所述导管架包括四个桩腿和交叉结构，所述交叉结构设置在桩腿之间，所述交叉结构设有五层，包括X形和K形结构。
2.根据权利要求1所述的一种海上风机基础结构，其特征在于，所述交叉结构包括从上至下依次为第一层交叉结构、第二层交叉结构、第三层交叉结构、第四层交叉结构和第五层交叉结构；所述第二层交叉结构为K形；所述第五层交叉结构为X形，且中间点不在X的交点处。
3.根据权利要求1所述的一种海上风机基础结构，其特征在于，所述桩腿包括从上至下依次为第一支撑桩腿、第二支撑桩腿、第三支撑桩腿、第四支撑桩腿和第五支撑桩腿，其外径相同，壁厚不同。
4.一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对海上风机基础结构进行初始化建模，确定初始设计区域；
(2)分析海上风机基础结构所受的环境载荷；
(3)在风机基础结构上施加边界条件，边界条件包括固定约束、工作载荷和环境载荷；
(4)确定优化目标，以风机基础结构的最大刚度为目标，约束导管架的体积分数和最大位移；
(5)对海上风机基础结构进行拓扑优化；
(6)对拓扑优化得到的导管架进行形状和尺寸优化；
(7)分析优化前后的海上风机基础结构，并进行静态应力和位移、各阶频率和极限承载能力等方面的比较；
(8)满足要求，则输出最终优化的结构模型，若不符合要求，重复步骤(5) 至(7)，直到符合要求。
5.根据权利要求4所述的一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述环境载荷包括海风载荷、波浪载荷和海流载荷，计算步骤为：
用
Figure FDA0002277302980000026
来表示不同高度下的风速，具体风速的表达式为：
Figure FDA0002277302980000021
则作用在风机塔筒上风力载荷为：
Figure FDA0002277302980000022
其中，ρa-空气密度，大小为1.05Kg/m3；CD,T-阻力系数，大小为1；D(z)锥形塔筒在高度z处的直径；z为测量点到海平面的距离；zr为风机塔筒顶部高度；a为粗糙因子，为0.115；
所述导管架在波浪载荷区单位长度的波浪载荷为计算过程如下：
速度势函数：
Figure FDA0002277302980000023
其中k为波数，w为角频率；
波面方程：
Figure FDA0002277302980000024
波速q：
Figure FDA0002277302980000025
根据波高与波面的关系，即H＝η|θ＝0-η|θ＝π得到：
Figure FDA0002277302980000031
同时根据波速可以得到
已知波高H、周期T和水深d后，求解可得系数λ和波长L；
对于导管架的直径D≤0.2λ的情况，采用莫里森方程计算波流力，计算公式为：
Figure FDA0002277302980000033
其中，ρw-海水密度，大小为1030kg/m3；CM、CD-惯性力系数和拖曳力系数，分别取值为2.0和0.65；u(z,t)-水质点速度，
Figure FDA0002277302980000035
-水质点加速度，通过斯托克斯五阶波浪理论推导得出；
所述导管架受到的海流载荷利用莫里森方程求得：
Figure FDA0002277302980000034
式中，uc,MSL-海面水流流速，单位m/s；d-水深，单位为m。
6.根据权利要求4所述的一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对海上风机基础结构模型的约束是在桩柱底端施加四个固定约束点，对桩柱底端的四个面进行对称约束；桩柱与海床土壤之间的作用力转化为6-8倍的桩柱向海床内延伸的实际距离，并在桩柱最底部进行固定约束。
7.根据权利要求4所述的一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，其特征在于，步骤(3)中，海风载荷作用于导管架上方的风机塔筒、风机以及设计区域高于海平面部分；波浪载荷作用于设计区域位于海平面处的部分；海流载荷作用于设计区域低于海平面的部分；对于风机产生的风载以及风机塔筒上方的涡轮机、叶片的质量等效为集中质量点施加到塔筒结构上方。
8.根据权利要求4所述的一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中刚度优化的数学模型为：
Figure FDA0002277302980000041
式中U表示海上风机基础结构模型整体位移矩阵，F表示海上风机基础结构模型整体力矩阵，K表示海上风机基础结构模型整体刚度矩阵，ue和ke分别表示单元的位移矢量和刚度矩阵，x表示设计变量的向量，xmin是相对密度的最小向量，N是设计区域离散化的单元数量，p是惩罚因子，V(x)和V0分别为导管架体积、设计区域体积，f为规定的容积率。
9.根据权利要求4所述的一种海上风机基础结构的轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用变密度法进行拓扑优化，通过调整公式(1)中的密度阈值得到海上风机基础结构模型，调整密度阈值，优化出导管架结构。
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