CN111985061A - 海上风机基础的结构设计方法、设计系统及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请是关于一种海上风机基础的结构设计方法、设计系统及可读存储介质。结构设计方法包括：以海上风机基础的结构重量最小为优化目标，执行迭代寻优步骤，直至满足迭代结束条件，得到待优化变量的优化解，待优化变量表示海上风机基础的结构尺寸；其中，迭代寻优步骤包括：确定待优化变量的可行解；基于海上风机基础的基本参数和待优化变量的可行解获得SACS待处理文件；获取SACS软件对SACS待处理文件处理得到的校核结果和结构重量；比对校核结果和约束条件，若校核结果满足约束条件，寻找本次迭代结构重量的最小值作为本次迭代结构重量的最优值；在满足迭代结束条件时，将当前结构重量的最优值对应的待优化变量的可行解作为待优化变量的优化解。

Description

海上风机基础的结构设计方法、设计系统及可读存储介质

技术领域

本申请涉及海上风机技术领域，尤其涉及一种海上风机基础的结构设计方法、设计系统及可读存储介质。

背景技术

近年来利用海上风机将风能转换为电能的技术在世界范围内获得了越来越多的重视，国内海上风机的开发也逐渐增长。对于海上风机而言，海上风机基础是其非常重要的一个组成部分，决定了海上风机的安全性和稳固性。因此，对于海上风机基础的结构设计也变得极其重要。

发明内容

本申请提供一种海上风机基础的结构设计方法、设计系统及可读存储介质。

根据本申请的实施例的一个方面，提供一种海上风机基础的结构设计方法，包括：以所述海上风机基础的结构重量最小为优化目标，执行迭代寻优步骤，直至满足迭代结束条件，得到待优化变量的优化解，所述待优化变量表示所述海上风机基础的结构尺寸；其中，所述迭代寻优步骤包括：确定所述待优化变量的可行解；基于所述海上风机基础的基本参数和所述待优化变量的可行解获得SACS待处理文件；获取SACS软件对所述SACS待处理文件处理得到的校核结果和结构重量；比对所述校核结果和约束条件，若所述校核结果满足约束条件，寻找本次迭代所述结构重量的最小值作为本次迭代所述结构重量的最优值；在满足所述迭代结束条件时，将当前所述结构重量的最优值对应的所述待优化变量的可行解作为所述待优化变量的优化解。

根据本申请的实施例的另一个方面，提供一种海上风机基础的结构设计系统，设计系统包括一个或多个处理器，用于实现上述设计方法。

根据本申请的实施例的又一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述设计方法。

本申请中利用海洋工程领域内SACS软件的规范校核功能，以SACS软件的校核结果满足约束条件为前提，海洋风机基础的结构重量最小为目标进行优化，进而获取到待优化变量的优化解，得到结构最优方案。无需人为的额外进行规范校核，并且通过利用领域内的SACS软件进行规范校核，提高了校核结果，提高了海洋风机基础结构设计的可靠性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的海上风机基础的结构设计方法的一种流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种python主程序与SACS软件交互的流程图。

图3所示为本申请海上风机基础的结构设计系统的一个实施例的模块框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

“多个”表示至少两个。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”可以指单数形式，也可包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。除非另行指出，“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“能够”表示具有能力。

近年来利用海上风机将风能转换为电能的技术在世界范围内获得了越来越多的重视，国内海上风机的开发也逐渐增长。对于海上风机而言，海上风机基础是其非常重要的一个组成部分，决定了海上风机的安全性和稳固性。在相关技术中，可以通过通用的例如ANSYS或者ABAQUS等有限元软件，对海上风机基础进行设计与校核，以在多次优化之后获得满足各种约束条件的海上风机基础的设计方案。

但是，在相关技术中，由于ANSYS或者ABAQUS等通用有限元软件并非海洋工程领域内的专用软件，其内部子模块并未与海洋工程领域的设计规范接轨，从而需要在设计之外对海洋风机基础额外进行规范校核，人力成本增加，而且校核过程并非使用海洋工程领域内的专用软件，在海洋工程领域内对校核结果的可靠性存疑。

在本申请中，提供一种海上风机基础的结构设计方法，以所述海上风机基础的结构重量最小为优化目标，执行迭代寻优步骤，直至满足迭代结束条件，得到待优化变量的优化解，所述待优化变量表示所述海上风机基础的结构尺寸；其中，所述迭代寻优步骤包括：确定所述待优化变量的可行解；基于所述海上风机基础的基本参数和所述待优化变量的可行解获得SACS待处理文件；获取SACS软件对所述SACS待处理文件处理得到的校核结果和结构重量；比对所述校核结果和约束条件，若所述校核结果满足约束条件，寻找本次迭代所述结构重量的最小值作为本次迭代所述结构重量的最优值；在满足所述迭代结束条件时，将当前所述结构重量的最优值对应的所述待优化变量的可行解作为所述待优化变量的优化解。

该结构设计方法可以应用于导管架风机基础、单桩式风机基础或者三脚架式风机基础。该结构设计方法可以通过获取海洋工程领域内的SACS软件对海上风机基础的校核结果和结构重量，后续通过多次迭代获取在校核结果满足约束条件的情况下的结构重量最小时的待优化变量的取值，以作为海上风机基础相应的结构尺寸。可见，本申请中通过优化算法，以海上风机基础的结构重量最小为优化目标，并结合海洋工程领域内的专用SACS软件进行规范校核，确定出满足约束条件且结构重量最小的设计方案，避免了额外的规范校核工作，同时提高了规范校核的可靠性。而且利用SACS软件为海洋工程专业结构设计软件的优势，使得海洋风机基础优化设计的荷载计算更方便和准确，能够降低人力成本。

下面结合附图，对本申请的海上风机基础的结构设计方法、设计系统及计算机可读存储介质进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

图1是根据一示例性实施例示出的海上风机基础的结构设计方法的一种流程图。该设计方法可以包括以海上风机基础的结构重量最小为优化目标，执行迭代寻优步骤，直至满足迭代结束条件时得到待优化变量的优化解。其中，该待优化变量可以为海上风机基础的结构尺寸，例如，该待优化变量可以包括腿柱直径参数、腿柱壁厚参数、斜撑直径参数、斜撑壁厚参数、桩直径参数、桩壁厚壁厚、桩贯入深度参数和腿柱倾斜度中一个或者多个。其中，迭代寻优步骤可以包括：

步骤101中，确定所述待优化变量的可行解。

在一些实施例中，可以通过调用预定义文件，读取该预定义文件中记载的待优化变量的初始值和取值范围，可以基于待优化变量的初始值执行第一次的迭代寻优步骤，后续可以根据待优化变量的取值范围和本次迭代寻优步骤中待优化变量的取值，确定下一迭代寻优步骤中待优化变量的取值。或者，在另一些实施例中，也可以是在执行迭代寻优步骤之前获得用户逐一输入的待优化变量的初始值和取值范围。该结构设计方法应用于导管架风机基础时，该待优化变量可以包括腿柱直径参数、腿柱壁厚参数、斜撑直径参数、斜撑壁厚参数、桩直径参数、桩壁厚壁厚、桩贯入深度参数和腿柱倾斜度中一个或者多个。

步骤102中，基于所述海上风机基础的基本参数和所述待优化变量的可行解获得SACS待处理文件。

在一些实施例中，海上风机基础的基本参数可以包括结构参数和环境参数，该结构参数与海上风机基础自身的结构和材质相关，该环境参数与海上风机所处的海洋环境相关。该结构设计方法应用于导管架风机基础时，该结构参数可以包括导管架腿数、平台底高度和材料属性中的一个或者多个，而环境参数可以包括水深、波浪数据、流数据、风数据和土壤数据中的一个或者多个。当然，在另一些实施例中，比如该结构设计方法应用于单桩式风机基础时，结构参数可以相应的进行适应性变化。

根据海上风机基础的基本参数和待优化变量的可行解，可以计算确定海上风机基础的节点参数和杆件参数。其中，该节点参数可以包括各杆件节点的位置坐标值、杆件参数可以包括各杆件的起点和终点。基于该节点参数和杆件参数可以获得SACS待处理文件，该SACS待处理文件可以包括SACS模型文件和桩土相互作用文件，该SACS模型文件可以包括全局设置、截面属性、杆件组属性、节点定义、杆件定义、海生物厚度定义、水动力参数设置和工况定义中一个或者多个参数。

步骤103中，获取SACS软件对所述SACS待处理文件处理得到的校核结果和结构重量。

在一些实施例中，可以根据SACS软件的安装目录的路径调用SACS软件，该SACS软件可以根据SACS模型文件和桩土相互作用文件进行规范校核和结构重量计算，并输出处理结果文件，主程序根据该输出处理结果文件可以获取到校核结果和结构重量。其中，该校核结果可以包括杆件强度校核、节点冲剪校核、杆件构造校核、桩基承载力校核、变形校核和整机频率校核中的一个或者多个。该结构重量为海上风机基础的重量。其中，该校核结果可以是SACS软件根据海洋工程领域内的规范校核方法进行校核后进行输出，该结构重量可以是SACS软件根据海洋工程领域内的对应方法计算获得，以利用SACS软件的规范校核功能获取对应的校核结果，提高了校核结果的可靠性。

步骤104中，比对所述校核结果和约束条件，若所述校核结果满足约束条件，寻找本次迭代所述结构重量的最小值作为本次迭代所述结构重量的最优值在满足所述迭代结束条件时，将当前所述结构重量的最优值对应的所述待优化变量的可行解作为所述待优化变量的优化解。

在一些实施例中，该约束条件可以预先被定义，约束条件可以包括杆件强度标准、节点冲剪标准、杆件构造标准、桩基承载力标准、变形标准和整机频率标准中的一个或者多个。例如，该杆件强度标准的范围为UC小于1.0，那么，当获取到的杆件强度校核的值小于1.0时，则可以认为该杆件强度校核满足约束条件。相应的其他校核结与约束条件的比对可以参考杆件强度标准与杆件强度校核之间的比对，此处不进行一一赘述。

在获取到的每一校核结果均满足对应的约束条件时，可以寻找本次迭代中结构重量的最小值作为本次迭代的结构重量的最优值。换言之，可以通过比对本次迭代计算的结构重量与上一次迭代确定的结构重量的最优值，将其中较小的结构重量确定为本次迭代中结构重量的最小值，作为最优值，而后更新每一待优化变量的可行解，进行下一次迭代。依次类推，在满足迭代结束条件后，可以将最后一次迭代寻优步骤中确定出的结构重量的最优值对应的待优化变量的可行解作为待优化变量的优化解，如此确定出了海上风机基础在满足约束条件下结构重量最小时的结构设计方案。其中，迭代结束条件可以是次数阈值，即在迭代次数达到次数阈值时，迭代结束；或者该迭代结束条件可以是本次迭代确定出的结构重量与上一次迭代中结构重量的最优解之间的差值小于设定阈值时，结束迭代，并以本次迭代确定出的结构重量和上一次迭代中结构重量的最优解中更小的结构重量作为本次迭代的最优解，进而确定出本次迭代的最优解所对应的待优化变量的可行解作为待优化变量的优化解。再或者，在迭代次数达到次数阈值或者本次迭代确定出的结构重量与上一次迭代中结构重量的最优解之间的差值小于设定阈值时，结束迭代，以避免差值一直无法收敛到小于设定阈值，导致不断迭代，同时可以避免在差值已经足够小的情况下继续循环迭代的情况。

本申请中利用海洋工程领域内SACS软件的规范校核功能，以SACS软件的校核结果满足约束条件为前提，海洋风机基础的结构重量最小为目标进行优化，进而获取到待优化变量的优化解，得到结构最优方案。无需人为的额外进行规范校核，并且通过利用领域内的SACS软件进行规范校核，提高了校核结果，提高了海洋风机基础结构设计的可靠性；而且利用SACS软件为海洋工程专业结构设计软件的优势，使得海洋风机基础优化设计的荷载计算更方便和准确。

下述以Python运行主程序、海上风机基础为导管架风机基础为例，图2示出了以导管架风机基础的结构重量最小为目标、校核结果满足约束条件时，主程序与SACS软件之间的交互过程以及主程序的迭代寻优过程的流程图。

在步骤201中，Python主程序读取预定义文件以获取到导管架风机基础的基本参数。

在步骤202中，Python主程序确定待优化变量的初始值和取值范围。

在一些实施例中，可以读取excel表格中记载的导管架风机基础的基本参数、待优化变量的初始值以及待优化变量的取值范围。在其他一些实施例中，可以获得用户在Python主程序中依次输入的导管架风机基础的基本参数和待优化变量的初始值，同时定义每一待优化变量的取值范围。在另一些实施例中，导管架风机基础的基本参数、待优化变量的初始值和待优化变量中的部分输出从excel表格中读取、另一些数据可以是获得用户在Python主程序输入的数据。其中，本申请并不仅限于excel表格中读取数据，或者也可以是从txt或者其他类型的预定义文件中读取数据。

在步骤203中，Python主程序定义约束条件。

在一些实施例中，可以在Python主程序中定义杆件强度标准、节点冲剪标准、杆件构造标准、桩基承载力标准、变形标准和整机频率标准。在其他实施例中，也可以定义其中的一个或者多个标准，或者也还可以定义其他的约束条件，本申请对此并不进行限制。

在步骤204中，Python主程序根据基本参数和待优化变量的可行解计算节点参数和杆件参数。

在步骤205中，Python主程序获得SACS待处理文件。

在一些实施例中，在第一次迭代时，可以将待优化变量的初始值作为待优化变量的可行解，而后根据该初始值和基本参数计算节点参数和杆件参数。该节点参数可以包括导管架风机基础中的各个节点的位置坐标、各个杆件的起点和终点等参数，据此进一步可以获得SACS待处理文件。若本次迭代不满足迭代结束条件，则可以根据待优化变量的可行解和取值范围，确定出待优化变量在下一次迭代中的可行解，并计算在下一次迭代中的节点参数和杆件参数，据此可以修改SACS待处理文件，以获得下一次迭代中输入至SACS软件中的SACS待处理文件。

在步骤206中，Python主程序调用SACS软件。

在一些实施例中，Python主程序可以根据SACS软件的安装目录调用SACS软件，并向SACS发送获得的SACS待处理文件。

在步骤207中，SACS软件获取SACS待处理文件。

在步骤208中，SACS软件根据SACS待处理文件中的数据进行规范校核。

在步骤209中，SACS软件输出处理结果文件。

在一些实施例中，SACS软件可以根据SACS待处理文件中所记载的数据、调用SACS软件配置的规范校核功能，对导管架风机基础进行规范校核和结构重量计算，然后输出记载有校核结果和结构重量的处理结果文件输出至主程序。

在步骤210中，Python主程序获取SACS软件输出的结果处理文件。

在步骤211中，Python主程序获取校核结果和结构重量。

在一些实施例中，在SACS软件进行规范校核之后可以输出lst的结果处理文件，Python主程序可以根据该lst的结果处理文件获取校核结果和结构重量，以便后续判定该校核结果是否满足约束条件，结构重量是否为最优值。

在步骤212中，Python主程序判定校核结果是否满足约束条件。

在该实施例中，该校核结果可以为一个或者多个，在该一个或者多个校核结果分别满足对应的约束条件时，执行步骤213，在该一个或者多个校核结果中的至少一个校核结果不满足约束条件时，执行步骤215。

其中，在该一个或者多个校核结果中的至少一个校核结果不满足约束条件时，可以根据设定的步长和待优化变量的取值范围确定待优化变量的可行解；在该一个或者多个校核结果均满足对应的约束条件时，优化算法可以确定出新的可行解。

在步骤213中，Python主程序确定结构重量的最优解。

在一些实施例中，若每一校核结果均满足约束条件，则可以比较本次迭代的结构重量和上一次迭代中结构重量的最优值，确定出本次迭代中结构重量的最优值，并且进一步确定出下一次迭代中的待优化变量的可行解。

在步骤214中，Python主程序判定迭代次数是否等于次数阈值。

在该实施例中，以迭代次数等于次数阈值为迭代结束条件，若迭代次数小于次数阈值，则执行步骤215，若迭代次数等于次数阈值，则执行步骤216。

在步骤215中，Python主程序确定待优化变量的优化解。

在一些实施例中，当迭代次数等于次数阈值时，迭代结束，可以将最后依次迭代的结构重量与上一次迭代过程中的结构重量的最优值进行比较，将最后一次迭代中结构重量的最小值作为结构重量的最优值，进而可以确定最后一次迭代中结构重量的最优值对应的待优化变量的可行解，该待优化变量的可行解可以作为待优化变量的优化解。

在步骤216中，Python主程序确定待优化变量的优化解。

图3所示为风电场布局的设计系统300的一个实施例的模块框图。设计系统300包括一个或多个处理器301，用于实现设计方法100。在一些实施例中，设计系统300可以包括计算机可读存储介质304，计算机可读存储介质可以存储有可被处理器301调用的程序，可以包括非易失性存储介质。在一些实施例中，设计系统300可以包括内存303和接口302。在一些实施例中，设计系统300还可以根据实际应用包括其他硬件。

本申请实施例的计算机可读存储介质304，其上存储有程序，该程序被处理器301执行时，实现设计方法100。

本申请可采用在一个或多个其中包含有程序代码的存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机可读存储介质的例子包括但不限于：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (11)

1.一种海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，包括以所述海上风机基础的结构重量最小为优化目标，执行迭代寻优步骤，直至满足迭代结束条件，得到待优化变量的优化解，所述待优化变量表示所述海上风机基础的结构尺寸；其中，所述迭代寻优步骤包括：

确定所述待优化变量的可行解；

基于所述海上风机基础的基本参数和所述待优化变量的可行解获得SACS待处理文件；

获取SACS软件对所述SACS待处理文件处理得到的校核结果和结构重量；

比对所述校核结果和约束条件，若所述校核结果满足约束条件，寻找本次迭代所述结构重量的最小值作为本次迭代所述结构重量的最优值；

在满足所述迭代结束条件时，将当前所述结构重量的最优值对应的所述待优化变量的可行解作为所述待优化变量的优化解。

2.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，所述确定所述待优化变量的可行解，包括：

获取所述待优化变量的初始值和所述待优化变量的取值范围；

将所述待优化变量的初始值作为第一次迭代寻优步骤中所述待优化变量的可行解；

根据所述待优化变量的取值范围和本次迭代寻优步骤中所述待优化变量的可行解，确定下一迭代寻优步骤中所述待优化变量的可行解。

3.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，所述基于所述海上风机基础的基本参数和所述待优化变量的可行解获得SACS待处理文件，包括：

根据所述基本参数和所述待优化变量的可行解，确定所述海上风机基础的节点参数和杆件参数；

根据所述节点参数和所述杆件参数获得所述SACS待处理文件，所述SACS待处理文件包括SACS模型文件和桩土相互作用文件。

4.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，所述获取SACS软件对所述SACS待处理文件处理得到的校核结果和结构重量，包括：

调用所述SACS软件；

获取所述SACS软件基于所述SACS待处理文件处理后输出的处理结果文件；

从所述处理结果文件中获取所述校核结果和所述结构重量。

5.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，所述约束条件包括杆件强度标准、节点冲剪标准、杆件构造标准、桩基承载力标准、变形标准和整机频率标准中的一个或者多个。

6.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，还包括：获取预定义文件中记录的所述海上风机基础的基本参数。

7.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，所述待优化变量包括：腿柱直径参数、腿柱壁厚参数、斜撑直径参数、斜撑壁厚参数、桩直径参数、桩壁厚壁厚、桩贯入深度参数和腿柱倾斜度中一个或者多个。

8.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，所述海上风机基础包括导管架风机基础、单桩式风机基础和三脚架式风机基础中的一种。

9.根据权利要求1所述的海上风机基础的结构设计方法，其特征在于，所述海上风机基础包括导管架风机基础，所述基本参数包括环境参数和结构参数，

其中，所述结构参数包括导管架腿数、平台底高度和材料属性中的一个或者多个；

所述环境参数包括水深、波浪数据、流数据、风数据和土壤数据中的一个或者多个。

10.一种海上风机基础的结构设计系统，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于实现如权利要求1-9中任一项所述的结构设计方法。

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-9中任一项所述的结构设计方法。

Images