CN112818437A - 海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上风电能源工程中的基础设计计算优化技术领域，具体公开了一种海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，根据项目基本信息，以非线性有限元为基础进行分析，通过将单桩基础中桩土之间的非线性特性通过计算转化为线性弹簧，计算分析单桩基础的静力、动力、疲劳工况，并对单桩基础的静力、动力、疲劳工况以工程成本为目标值进行优化设计，然后提取绘图基本信息，生成图纸及工程量。本发明将将复杂的海上风电非线性计算分析线性化处理，在保证计算精度的同时，节约了计算的反应时间以及降低了非线性分析的不确定性。

Description

海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法

技术领域

本发明涉及海上风电能源工程中的基础设计计算优化技术领域，特别涉及海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法。

背景技术

随着全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖等问题日益突出，我国能源结构及发展方向也做出重大调整。近十年来，风电、太阳能等可再生能源在我国得到了大力发展，尤其是陆上风电，风电场总容量屡创新高。随着陆上风电的大量开发，陆上规模风电日趋饱和，近海风电的开发也开始登上绿色能源发展的历史舞台。近年来，我国多个近海风电项目已陆续投运或建设，近海风电场的建造技术也日趋成熟。

而海上风电基础设计涉及海洋水文学、建筑结构学、岩土工程学多专业多学科知识，不能采用常规的设计手段，设计者需精通结构设计理论、有限元分析，具备一定的编程能力，其设计复杂困难。因此急需一种集分析计算优化的分析方法以解决海上风电单桩基础的分析方法。

使用有限元分析海上风电单桩基础有以下几个问题：

(一)常规有限元分析方法通常需要使用者具备一定的专业知识，并对软件要有较为熟练的运用能力。特别的针对海上风电基础设计，其更要求使用者具备多专业的理论知识，这对于初学者往往需要几个月甚至更多的时间进行学习，这对于我们设计周期显然是无法满足的。

(二)海上风电单桩基础由于结构体系较为简单，但其所处环境较为复杂(海泥面以下对桩的支撑作用、海水环境荷载等)，而对于桩土之间的支撑接触问题，一般的固定约束或线性弹簧约束对于计算结果相差较大；同时若采用非线性约束，其结果的准确性往往依靠设计者的经验，且计算的时间及收敛性都有较大影响。

(三)针对一般的有限元分析，其结构(模型)若有调整，往往需要设计者重新建模，花费时间较多；而对于海上风电工程，其基础的工程量往往会对整个工程的造价有较大的影响，这就需要设计者具备一定的设计经验，同时不断的对设计结果进行修正优化，以达到最优工程量的目的。这都需要花费较多的时间。

(四)除专门的海工软件外，采用有限元程序进行分析海上风电基础后，其输出结果仅为结构内力结果(弯矩、剪力、轴力、变形等)，且由于结构单元划分常常数据巨大，使用者对每组内力结构需按规范要求进行后处理分析以满足规范要求(如钢结构材料许用应力比要求、桩基承载力要求，变形要求，疲劳损伤度即疲劳寿命要求)，工作量巨大。

(五)针对最终优化结果，使用者最后需在此基础上完成图纸的设计绘制，这也需使用者具备一定的工程知识，同时设计图纸的正确性以及完整性都对设计者有较大依赖性，需要设计者花费较多的时间进行绘制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，将复杂的海上风电非线性计算分析线性化处理，在保证计算精度的同时，节约了计算的反应时间以及降低了非线性分析的不确定性。

本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，根据项目基本信息，以非线性有限元为基础进行分析，通过将单桩基础中桩土之间的非线性特性通过计算转化为线性弹簧，计算分析单桩基础的静力、动力、疲劳工况，并对单桩基础的静力、动力、疲劳工况进行优化设计，然后提取绘图基本信息，生成图纸。

在一些可能的实施方式中，具体包括以下步骤：

输入项目基本信息以及单桩基础的初步的设计尺寸信息，材料信息；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析；

提取信息，生成图纸。

在一些可能的实施方式中，所述的海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析包括以下步骤：

采用有限元程序建立以梁单元模拟单桩基础结构；

以非线性弹簧单元模拟桩土之间的接触约束，采用参考荷载的方式，将非线性特性转化为线性特性；

对单桩所受的风机荷载以节点力来施加，对环境荷载以分布荷载来施加，计算出符合要求的单桩基础结构内力结果；

对单桩基础结构内力结果优化。

在一些可能的实施方式中，所述的海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析还包括以下步骤：在模拟单桩基础结构之前，对波浪荷载最大相位角的计算。

在一些可能的实施方式中，所述的以非线性弹簧单元模拟桩土之间的接触约束，采用参考荷载的方式，将非线性特性转化为线性特性，具体是指：

基于非线性有限的局限性，通过预先加载一组参考荷载，进行非线性有限元分析，得到非线性弹簧的变形及弹簧力，以此计算弹簧刚度；

将弹簧刚度加载至单桩基础结构的有限元模型当中，以线性弹簧模拟，以此作为边界条件。

在一些可能的实施方式中，所述的对单桩基础结构内力结果优化，具体是指：

通过FORTRAN或其它编程语言编制符合要求的单桩基础结果优化；

根据优化结果，在满足使用者设计的应力比以及承载力安全系数基础上进行结构优化，并得到优化后的结构尺寸A。

在一些可能的实施方式中，所述的海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析，具体包括以下步骤：

根据项目基本信息中的地震信息，按照结构尺寸A，在非线性有限元程序中按风机叶片及机舱按质点单元模拟，对风机塔筒及基础按梁单元模拟；并将非线性接触约束转化为线性约束；

后向其施加桩土之间的阻尼弹簧和影响结构地震反应的附加动水质量，进行地震反应谱分析；

并输出模态分析结果及地震荷载作用下的结果内力；

计算地震工况下的静力荷载，并与地震荷载作用下的结果内力组合，对结果组合进行优化设计得到优化后的结构尺寸B。

在一些可能的实施方式中，所述的海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析，具体是指：

根据项目基本信息中的水文信息和风机信息，按照结构尺寸B，将非线性接触约束转化为线性约束，在有限元程序中进行多点随机振动分析，并输出波浪或海冰作用下的结果内力结果；

将输出波浪或海冰作用下的结果内力结果与单桩基础波浪疲劳与风机疲劳组合或海冰疲劳与风机疲劳组合，得到组合结果；

组合结果验算；

对组合结果按优化及优化模块进行优化设计，得到最终优化后的结构尺寸C；

在一些可能的实施方式中，所述的提取绘图基本信息，生成图纸具体是指：

在对单桩基础疲劳计算和优化后，提取优化后的最终结构尺寸C的绘图基本信息，生成海上风电单桩基础的图纸，并生成最终优化后的单桩基础的工程量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明采用计算机语言编写，以结构设计为基础，自动化计算为主线，以提高设计质量和效率，优化结构工程量为目的，与有限元程序进行衔接，将单元选择及控制、单元划分、荷载施加、约束选择及施加等一系列的复杂操作和专业的海上风电风机基础计算都包含在模块里；关键设计数据的输出、海上风电单桩基础AUTOCAD脚本文件的输出都自动进行，使得任何一个不了解有限元、不精通海上风电计算、不熟悉工程设计的设计人都能在很短的时间内精确的完成海上风电单桩结构的计算、设计与优化；

本发明将复杂的海上风电非线性计算分析线性化处理，在保证计算精度的同时，节约了计算的反应时间以及降低了非线性分析的不确定性；

本发明将设计优化一体化集成化考虑，以设计分析为准则，一个设计输入为导向，以工程成本为目标值，将工程中繁杂的设计优化工作，通过设计者控制的参数，在设计阶段一次性进行了设计及优化分析。此发明在保证了工程的安全性的基础上，降低了工程造价，同时极大的简化了设计者的设计工作；

本发明有效的实现了设计绘图的标准化生产，在保证了设计精确性的同时，节省了设计者的绘图、校审时间

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明中进行海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析的工作流程图；

图3为本发明中进行海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析的工作流程图；

图4为本发明中进行海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析的工作流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明通过下述技术方案实现，如图1-图4所示，

海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，根据项目基本信息，以非线性有限元为基础进行分析，通过将单桩基础中桩土之间的非线性特性通过计算转化为线性弹簧，计算分析单桩基础的静力、动力、疲劳工况，并对单桩基础的静力、动力、疲劳工况进行优化设计，然后提取绘图基本信息，生成图纸。

这里所描述的项目基本信息包括:

风机相关信息，包括:上部塔筒、叶片、机舱信息、以及荷载资料等信息；

水文资料信息，包括：水位、风荷载、波浪荷载、海流荷载、冰荷载、海生物等；

地质资料信息，包括设计风机位置的土层信息、地震信息等；

以及单桩基础的初步的设计尺寸信息，材料信息。

将上述信息生成用于有限元分析的输入文件，通过将单桩基础中桩土之间的非线性特性通过计算转化为线性弹簧，计算分析单桩基础的静力、动力、疲劳工况，并对单桩基础的静力、动力、疲劳工况进行优化设计，然后提取绘图基本信息，生成图纸。

在一些可能的实施方式中，如图1所示，具体包括以下步骤：

输入项目基本信息以及单桩基础的初步的设计尺寸信息，材料信息；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析；

提取信息，生成图纸。

在一些可能的实施方式中，如图2所示，所述的海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析包括以下步骤：

采用有限元程序建立以梁单元模拟单桩基础结构；

以非线性弹簧单元模拟桩土之间的接触约束，采用参考荷载的方式，将非线性特性转化为线性特性；

对单桩所受的风机荷载以节点力来施加，对环境荷载以分布荷载来施加，计算出符合要求的多种荷载工况下的单桩基础结构内力结果；这里所描述的环境荷载包括风荷载、波浪荷载、海流荷载、冰冰荷载。

对单桩基础结构内力结果优化。

在一些可能的实施方式中，所述的海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析还包括以下步骤：在模拟单桩基础结构之前，对波浪荷载最大相位角的计算。

波浪荷载最大相位角即对单桩基础以最大底板剪力为判决条件，求出在设计波浪下的对基础最不利的相位角，为非线性有限元结构计算提供便利。

在一些可能的实施方式中，所述的以非线性弹簧单元模拟桩土之间的接触约束，采用参考荷载的方式，将非线性特性转化为线性特性，具体是指：

基于非线性有限的局限性，通过预先加载一组参考荷载，进行非线性有限元分析，得到非线性弹簧的变形及弹簧力，以此计算弹簧刚度；

优选的，其中，所预先加载一组参考荷载与该工况下设计荷载相当；

将弹簧刚度加载至单桩基础结构的有限元模型当中，以线性弹簧模拟，以此作为边界条件。

在一些可能的实施方式中，所述的对单桩基础结构内力结果优化，具体是指：

通过FORTRAN或其它编程语言编制符合要求的单桩基础结果校核；

这里的校核包括：基础钢结构的抗拉、抗压、抗剪切、抗扭转、抗拉弯、抗压弯等应力比校核，以及单桩承载力与变形校核；

根据校核结果，在满足使用者设计的应力比以及承载力安全系数基础上进行结构优化，并得到优化后的结构尺寸A。

其中这里所描述的结构优化，包括：

应力比优化；如某单元节点的应力比大于使用者设计的应力比上限，则自动增加该段的壁厚；若小于应力比下限，则自动减小该段壁厚；

承载力优化；若改设计尺寸下承载力安全系数大于使用者设计的安全系数上限，则减小桩长，同时桩长应满足设计要求，若不满足则减小桩直径；若改设计尺寸下承载力安全系数小于使用者设计的安全系数下限，则增大桩长；调整结构尺寸后再次进入有限元程序进行分析，最终满足设计者要求的最佳结构尺寸。

在一些可能的实施方式中，图3所示，所述的海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析，具体包括以下步骤：

根据项目基本信息中的地震信息，按照结构尺寸A，在非线性有限元程序中按风机叶片及机舱按质点单元模拟，对风机塔筒及基础按梁单元模拟，得到模拟结构，并采用参考荷载的方式，将非线性特性转化为线性特性；该分析同样的通过一组通过地震拟静力法初步估计的参考地震荷载为参照荷载

向上述线性模拟结构施加桩土之间的阻尼弹簧和影响结构地震反应的附加动水质量，进行地震反应谱分析；

并输出模态分析结果及地震荷载作用下的结果内力；

计算地震工况下的静力荷载，并与地震荷载作用下的结果内力组合，对结果组合进行优化设计得到优化后的结构尺寸B。

这里的静力荷载包括风荷载、波浪荷载、冰荷载。

这里所描述的对结果组合进行优化与海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析中对单桩基础结构内力结果优化的方法相同，该优化只判读结构安全余度不够的情况，即安全系数小于设计者设置的安全度。

这里所描述的将非线性接触约束转化为线性约束，具体为基于非线性有限元的局限性，通过预先加载一组参考荷载，进行非线性有限元分析，得到非线性弹簧的变形及弹簧力，以此计算弹簧刚度；

将弹簧刚度加载至单桩基础结构的有限元模型当中，以线性弹簧模拟，以此作为边界条件。

在一些可能的实施方式中，如图4所示，所述的海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析，具体是指：

根据项目基本信息中的水文信息和风机信息，按照结构尺寸B，并采用参考荷载的方式，将非线性特性转化为线性特性。在线性有限元程序中模拟，进行多点随机振动分析，并输出波浪或海冰作用下的结果内力结果；

具体是指通过波浪力谱计算即将设计波浪的波浪谱按转换函数进行转换得到用于随机振动分析中的力谱信息，进而通过多点随机振动分析，并输出波浪或海冰作用下的结果内力结果；

将输出波浪或海冰作用下的结果内力结果与单桩基础波浪疲劳与风机疲劳组合或海冰疲劳与风机疲劳组合，得到组合结果；

组合结果验算；

对组合结果根据优化及优化模块进行优化设计，得到优化后的最终结构尺寸C。结构尺寸C为最终优化的结果。

这里所描述的将非线性接触约束转化为线性约束，具体为基于非线性有限元的局限性，通过预先加载一组参考荷载，进行非线性有限元分析，得到非线性弹簧的变形及弹簧力，以此计算弹簧刚度；

将弹簧刚度加载至单桩基础结构的有限元模型当中，以线性弹簧模拟，以此作为边界条件。

这里所描述的对结果组合进行优化，该优化信息只判读结构安全余度不够的情况，即安全系数小于设计者设置的安全度。

在一些可能的实施方式中，所述的提取绘图基本信息，生成图纸具体是指：

在对单桩基础疲劳计算和优化后，得到最终优化后的结构尺寸C；提取最终结构尺寸C的绘图基本信息，生成海上风电单桩基础的图纸，并生成最终优化后的单桩基础的工程量。

具体是指，提取绘图基本信息，按照AutoCAD命令绘图的格式输出AutoCAD的后缀名为SCR的绘图脚本文件，在AutoCAD中用SCRIPT命令运行该绘图脚本文件，生成一系列海上风电单桩基础的图纸；并生成最终优化后的单桩基础的工程量。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本申请中应用了具体个例对本申请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申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：根据项目基本信息，以非线性有限元为基础进行分析，通过将单桩基础中桩土之间的非线性特性通过计算转化为线性弹簧，计算分析单桩基础的静力、动力、疲劳工况，并对单桩基础的静力、动力、疲劳工况进行优化设计，然后提取绘图基本信息，生成图纸。

2.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

输入项目基本信息以及单桩基础的初步的设计尺寸信息，材料信息；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析；

基于非线性有限元进行海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析；

提取信息，生成图纸。

3.根据权利要求2所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：所述的海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析包括以下步骤：

采用有限元程序建立以梁单元模拟单桩基础结构；

以非线性弹簧单元模拟桩土之间的接触约束，采用参考荷载的方式，将非线性特性转化为线性特性；

对单桩所受的风机荷载以节点力来施加，对环境荷载以分布荷载来施加，计算出符合要求的单桩基础结构内力结果；

对单桩基础结构内力结果优化。

4.根据权利要求3所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：所述的海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析还包括以下步骤：在模拟单桩基础结构之前，对波浪荷载最大相位角的计算。

5.根据权利要求4所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：所述的对单桩基础结构内力结果优化，具体是指：

通过FORTRAN或其他编程语言编制符合要求的单桩基础结果优化；

根据优化结果，在满足使用者设计的应力比以及承载力安全系数基础上进行结构优化，并得到优化后的结构尺寸A。

6.根据权利要求5所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：所述的海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析；具体包括以下步骤：

根据项目基本信息中的地震信息，按照结构尺寸A，将非线性接触约束转化为线性约束，在线性有限元程序中按风机叶片及机舱按质点单元模拟，对风机塔筒及基础按梁单元模拟；

并向其施加桩土之间的阻尼弹簧和影响结构地震反应的附加动水质量，进行地震反应谱分析；

并输出模态分析结果及地震荷载作用下的结果内力；

同时计算地震工况下的静力荷载，并与地震荷载作用下的结果内力组合，对结果组合进行优化设计得到优化后的结构尺寸B。

7.根据权利要求6所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：所述的海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析，具体是指：

根据项目基本信息中的水文信息和风机信息，按照结构尺寸B，将非线性接触约束转化为线性约束，在有限元程序中进行多点随机振动分析，并输出波浪或海冰作用下的结果内力结果；

将输出波浪或海冰作用下的结果内力结果与单桩基础波浪疲劳与风机疲劳组合或海冰疲劳与风机疲劳组合，得到组合结果；

组合结果验算；

对组合结果按优化及优化模块进行优化设计，得到优化后的结构尺寸。

8.根据权利要求7所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：所述的提取绘图基本信息，生成图纸具体是指：

在对单桩基础疲劳计算和优化后，得到最终优化后的结构尺寸C；，提取结构尺寸C的绘图基本信息，生成海上风电单桩基础的图纸，并生成最终优化后的单桩基础的工程量。

9.根据权利要求8所述的海上风电单桩基础设计计算优化出图的集成化分析方法，其特征在于：在海上风电单桩基础静力计算与优化相关的计算分析、海上风电单桩基础动力计算与优化相关的计算分析、海上风电单桩基础疲劳计算与优化相关的计算分析中所描述的将非线性特性转化为线性特性，具体是指：

基于非线性有限元的局限性，通过预先加载一组参考荷载，进行非线性有限元分析，得到非线性弹簧的变形及弹簧力，以此计算弹簧刚度；

将弹簧刚度加载至单桩基础结构的有限元模型当中，以线性弹簧模拟，以此作为边界条件。

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