CN113297769A - 海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法 - Google Patents

海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法 Download PDF

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Abstract

一种海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法，它包括加载机构、数据采集机构、计算分析平台和数字孪生模型，数据采集机构与加载机构连接，计算分析平台与加载机构的千斤顶和数据采集机构连接构成现场试桩试验系统，数字孪生模型是基于现场试桩试验系统构建的数值仿真模型，采用现场试桩试验数据进行模型参数的实时更新，数字孪生模型在计算分析平台上建立和运行。有助于海上风电桩基础结构的高精度设计，为理解复杂荷载工况下大直径或超大直径桩体的受力变形机制提供方法，同时基于数字孪生模型的数值仿真，实现桩周土体的应力可视化和桩身受力变形的实时分析，有助于评估、校核和修正现有海上风电桩基础设计方法。

Description

海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法
技术领域
本发明属于海上风电桩试验技术领域，涉及一种海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法。
背景技术
数字孪生指将现实世界中的物理模型映射为数字世界中的虚拟模型，物理模型和虚拟模型可以进行双向的数据交互和信息融合，通过迭代优化改善真实的物理系统性能。数字孪生技术的关键是创建出能精准反映物理模型变化特征的数字孪生模型，数字孪生模型根据物理模型的运行状态，及时调整相应的参数，保持与实体模型运行状态一致。
单桩基础是近海风电场中最为常用的基础形式，在全球已建海上风电场的基础形式中占比超过70％，随着水深和风机容量的增大，单桩基础最大桩径已经超过9m，桩长接近100m。但是，当前单桩基础水平承载力计算方法仍是基于海洋油气平台小直径柔性桩现场试桩试验提出的p-y曲线法。现场监测数据和大量研究表明，p-y曲线法计算结果相对保守，可靠性较差。对于海上风电单桩基础而言，难以开展原型试桩试验，因此大比尺现场试桩试验成为研究桩基承载特性，提出桩基承载力计算方法，发展或改进桩基设计方法最为重要且有效的方式。
目前，海上风电现场试桩试验采用的桩通常为桩径1.8-2m、桩长70-80m柔性桩。每组现场试桩试验费用高达3000多万，且只能进行简单荷载工况的加卸载，例如单调加载、单调单循环加卸载，循环此次低于100次。然而，海上风电单桩基础在25年的生命周期内，需要承受1000万次以上由风荷载、波浪荷载、海流荷载、地震荷载、冰荷载多种荷载的耦合形成的循环荷载作用。此外，随着海上风电场的水深增加至40-60m，单桩基础振动频率、疲劳荷载可能成为单桩基础设计时的控制性因素，此时现有的现场试桩试验方法难以实现超大直径单桩基础承载特性的精确分析及其设计方法的提出。基于此，迫切需要提出一种新的海上风电超大直径单桩基础现场试桩试验方法，不仅能够精确获得单桩基础静力承载特性，还能获得单桩基础在多向、多时程、多循环复杂荷载工况下的动力承载特性，为提出海上风电超大直径单桩基础动力设计方法奠定基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法，基于现场试桩试验系统，建立相应的数值仿真模型，在现场试桩试验数据的基础上，更新数值仿真模型的模型参数，完成高精度数字孪生模型的构建。基于数字孪生模型进行复杂荷载工况下试桩试验的数值计算，实现复杂荷载工况下桩体受力变形特征的精准预测。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海上风电数字孪生试桩试验系统，它包括桩体、加载机构、数据采集机构、计算分析平台和数字孪生模型；所述桩体、加载机构、数据采集机构和计算分析平台构成现场试桩试验系统；所述数字孪生模型是基于现场试桩试验系统构建的数值仿真模型，所述数字孪生模型在计算分析平台上建立和运行。
在实施例中，所述桩体的直径为1-3m；
在实施例中，所述加载机构包括支撑架、反力架和千斤顶；
在实施例中，所述数据采集机构包括荷载采集装置、位移采集装置、桩身应变采集装置、桩身变形采集装置、土压力采集装置；
在实施例中，所述计算分析平台连接于加载机构和数据采集机构，所述计算分析平台控制加载机构中千斤顶的运行，所述数据采集机构将试桩试验数据实时传输至计算分析平台，所述计算分析平台实时处理试桩数据，并将处理后的试桩数据实时传递给数字孪生模型，所述数字孪生模型基于试桩数据同步开展数值计算。
在实施例中，所述数字孪生模型为有限元模型、有限差分模型、离散元模型中的一个或多种耦合得到的数值仿真模型。
在实施例中，对现场试桩试验数据和数值仿真模型计算数据进行差异性分析时，桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力试验值与计算值的误差值计算采用多项加权的方式；
Figure BDA0003095239300000021
其中，ε为数字孪生模型的累计误差，n为对比数据的种类，Ti为桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力的试桩试验值，Si为桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力对应的数字孪生模型计算值，ki为分项系数。
本发明还提供一种海上风电数字孪生试桩试验系统的建立方法，主要包括如下步骤：
S1：基于现场试桩试验系统、试桩点水文地质环境、土层分布和土体物理力学参数构建数值仿真模型；
S2：根据预估的极限承载力，按照分级加卸载的方式开展现场试桩试验，数据采集机构实时采集加载点荷载和位移、桩身应变、桩身变形、桩侧土压力，并实时传输至计算分析平台，计算分析平台实时对试桩数据进行分析处理；
S3：数值仿真模型根据每个加卸载工况现场试桩试验的试桩数据，进行数值计算，提取数值仿真模型的计算数据；
S4：对现场试桩试验数据和数值仿真模型计算数据进行差异性分析，若误差值超过自定义误差上限，更新数值仿真模型的土体物理力学参数或土体本构模型，重复步骤S3直至误差值低于自定义误差上限，完成数值仿真模型的更新，即完成现场试桩试验系统的数字孪生模型的构建。
S5：基于数字孪生模型开展多向或/和多时程或/和多循环荷载工况下的试桩试验，提取桩身变形、桩身弯矩、桩身振动频率和振型、桩侧土压力，高精度预测现场试桩试验中桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力，精准获取桩土相互作用曲线，将精准的桩土相互作用曲线用于海上风电基础结构设计。
在实施例中，一种海上风电数字孪生试桩试验系统的建立方法还包括步骤S6：基于数字孪生模型，建立海上风电超大直径单桩基础原型试桩试验的数字孪生模型。
本发明具有的优点和积极效果：
1、通过现场试桩试验建立高精度数字孪生模型，基于现场试桩试验数据更新模型参数，利用数字孪生模型开展多向、多时程、多循环复杂荷载工况下的现场试桩试验，高精度预测复杂荷载工况下桩体受力变形特征，有效拓展了现场试桩试验的测试内容和试验范围，有助于海上风电桩基础的结构设计。
2、基于数字孪生模型的数值仿真，实现桩周土体的应力可视化和桩身受力变形的实时分析，有助于了解现场试桩试验中桩体在荷载作用下的动态演变过程，理解复杂荷载工况下大直径或超大直径桩体的受力变形机制，有助于提出精准的海上风电单桩基础设计方法。
3、在现场试桩试验系统构建的数字孪生模型的基础上，进一步发展出海上风电超大直径单桩基础原型试桩试验的数字孪生模型，有助于评估、校核或修正现有海上单桩基础设计方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的海上风电数字孪生试桩试验系统结构示意图。
图2为本发明的另一种海上风电数字孪生试桩试验系统结构示意图。
图3为本发明的海上风电数字孪生试桩试验系统中桩体及数据采集机构布置图。
图4为本发明数据采集机构分布于桩体周围的示意图。
图中：桩体1、加载机构2、支撑架21、反力架22和千斤顶23、数据采集机构3、荷载采集装置31、位移采集装置32、桩身应变采集装置33、土压力采集装置34、计算分析平台4、数字孪生模型5。
具体实施方式
如图1-图4所示，一种海上风电数字孪生试桩试验系统，它包括桩体1、加载机构2、数据采集机构3、计算分析平台4和数字孪生模型5；所述桩体1、加载机构2、数据采集机构3和计算分析平台4构成现场试桩试验系统；基于所述现场试桩试验系统在计算分析平台4上构建数字孪生模型5；所述数字孪生模型5在计算分析平台4上运行。
优选地，所述桩体1的直径为1-3m。
值得说明的是，目前海上风电单桩基础的直径为6-9m，按照1:5-1:3的大比尺现场试验缩尺比，现场试桩试验的桩体直径优选为1-3m。
优选地，所述加载机构2包括支撑架21、反力架22和千斤顶23，反力架22位于支撑架21的上端与其连接，千斤顶23位于反力架22一侧和顶部。
优选地，所述数据采集机构3包括荷载采集装置31、位移采集装置32、桩身应变采集装置33、土压力采集装置34。
优选地，所述计算分析平台4连接于加载机构2和数据采集机构3，所述计算分析平台4控制加载机构中千斤顶的加载过程和卸载过程，所述数据采集机构3将试桩试验数据实时传输至计算分析平台4，所述计算分析平台4实时处理试桩数据，并将处理后的试桩数据实时传递给数字孪生模型5，数字孪生模型5基于试桩数据同步开展数值计算。
优选地，所述数字孪生模型5为有限元模型、有限差分模型、离散元模型中的一个或多种耦合得到的数值仿真模型。
在优选方案中，对于常规的单桩基础，数字孪生模型5采用有限元模型或有限差分模型，对于单桩-胶结堆石体复合基础，数字孪生模型5采用有限元模型与离散元模型耦合得到的数值仿真模型或有限差分模型与离散元模型耦合得到的数值仿真模型，其中桩和土采用有限元模型或有限差分模型，胶结堆石体采用离散元模型，以及部分桩周土体采用离散元模型。
本发明还提供一种海上风电数字孪生试桩试验系统建立方法，主要包括如下步骤：
S1：基于现场试桩试验系统和试桩点水文地质环境、土层分布和土体物理力学参数构建数值仿真模型；
S2：根据预估的桩体极限承载力，按照分级加卸载的方式开展现场试桩试验，数据采集机构3实时采集加载点荷载和位移、桩身应变、桩身变形、桩侧土压力，并实时传输至计算分析平台4，计算分析平台4对试桩数据进行实时分析处理；
S3：数值仿真模型根据现场试桩试验开展的每个加卸载工况，进行数值计算，获取数值仿真模型对应的计算数据；
S4：计算分析平台4对现场试桩试验数据和数值仿真模型计算数据进行差异性分析，若误差值超过自定义误差上限，更新数值仿真模型的土体物理力学参数或土体本构模型，重复步骤S3直至误差值低于自定义误差上限，完成数值仿真模型的更新，即完成现场试桩试验系统的数字孪生模型5的构建。
S5：基于数字孪生模型5开展多向或/和多时程或/和多循环复杂荷载工况下的试桩试验，提取桩身变形、桩身弯矩、桩身振动频率和振型、桩侧土压力，高精度预测现场试桩试验中桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力，精准获取桩土相互作用曲线，将精准的桩土相互作用曲线用于海上风电基础结构设计。
值得说明的是，步骤S4：对现场试桩试验数据和数值仿真模型计算数据进行差异性分析时，桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力试验值与计算值的误差值计算采用多项加权的方式：
Figure BDA0003095239300000051
其中，ε为数字孪生模型的累计误差，n为对比数据的种类，Ti为桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力的试桩试验值，Si为桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力对应的数字孪生模型计算值，ki为分项系数。自定义误差上限根据试验情况进行定义，取值通常为10％以内。
值得说明的是，在步骤S5中，多向或/和多时程或/和多循环复杂荷载工况下包括多向水平荷载的同时作用，以及水平荷载和轴向荷载的同时作用、两个及以上不同方向的水平荷载在不同时步的同时作用、100次以上循环荷载作用。当前的现场试桩试验方法无法进行多向、多时程、多循环复杂荷载工况的试桩试验。
在实施例中，一种海上风电数字孪生试桩试验系统的建立方法还包括S6：基于数字孪生模型5，建立海上风电超大直径单桩基础原型试桩试验的数字孪生模型。
通过上述S1至S5步骤，即建立“现场试桩试验—数字孪生模型—数值试桩试验—原位试桩试验”整个闭环试桩试验方法，为海上风电桩基础设计提供精准可靠的计算数据。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电数字孪生试桩试验系统，其特征是：它包括加载机构(2)、数据采集机构(3)、计算分析平台(4)和数字孪生模型(5)；所述数据采集机构(3)与加载机构(2)连接，计算分析平台(4)与加载机构(2)的千斤顶(23)和数据采集机构(3)电性连接构成现场试桩试验系统；数字孪生模型(5)是基于现场试桩试验系统构建的数值仿真模型，基于现场试桩试验数据进行数值仿真模型参数的实时更新，数字孪生模型(5)在计算分析平台(4)上建立和运行。
2.根据权利要求1所述的海上风电数字孪生试桩试验系统，其特征是：所述加载机构(2)包括支撑架(21)、反力架(22)和千斤顶(23)；反力架(22)位于支撑架(21)的上端与其连接，千斤顶(23)位于反力架(22)一侧和顶部。
3.根据权利要求2述的海上风电数字孪生试桩试验系统，其特征是：所述反力架(22)顶部的千斤顶(23)与桩体(1)垂直抵触，反力架(22)一侧的千斤顶(23)与桩体(1)侧向抵触。
4.根据权利要求1所述的海上风电数字孪生试桩试验系统，其特征是：所述数据采集机构(3)包括荷载采集装置(31)、位移采集装置(32)、桩身应变采集装置(33)、桩身变形采集装置(34)和土压力采集装置(35)；荷载采集装置(31)与千斤顶(23)连接；位移采集装置(32)与支撑架(21)连接与桩体(1)抵触；桩身应变采集装置(33)和桩身变形采集装置(34)分布于桩体(1)周围；土压力采集装置(35)靠近桩体(1)一侧。
5.根据权利要求1所述的海上风电数字孪生试桩试验系统，其特；征是：所述计算分析平台(4)控制千斤顶(23)的运行，将试桩试验数据实时传输至计算分析平台(4)。
6.根据权利要求1所述的海上风电数字孪生试桩试验系统，其特征是：所述计算分析平台(4)实时处理试桩数据，并将处理后的试桩数据实时传递给数字孪生模型(5)，数字孪生模型(5)基于试桩数据同步开展数值计算。
7.根据权利要求1所述的海上风电数字孪生试桩试验系统，其特征是：所述数字孪生模型(5)为有限元模型、有限差分模型、离散元模型中的一个或多种耦合得到的高精度数值仿真模型。
8.根据权利要求1所述的海上风电数字孪生试桩试验系统，其特征是：对现场试桩试验数据和数值仿真模型计算数据进行差异性分析时，桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力试验值与计算值的误差值计算采用多项加权的方式；
Figure FDA0003095239290000021
其中，ε为数字孪生模型的累计误差，n为对比数据的种类，Ti为桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力的试桩试验值，Si为桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力对应的数字孪生模型计算值，ki为分项系数。
9.根据权利要求1～8任一项所述的海上风电数字孪生试桩试验系统的建立方法，其特征是，它包如下步骤：
S1：基于现场试桩试验系统、试桩点水文地质环境、土层分布和土体物理力学参数构建数值仿真模型；
S2：根据预估的极限承载力，按照分级加卸载的方式开展现场试桩试验，数据采集机构(3)采集加载点荷载和位移、桩身应变、桩身变形、桩侧土压力，并实时传输至计算分析平台(4)，计算分析平台(4)对试桩数据进行实时分析处理；
S3：数值仿真模型根据每个加卸载工况现场试桩试验的试桩数据，同步开展数值计算，获取数值仿真模型相应的计算数据；
S4：对现场试桩试验数据和数值仿真模型计算数据进行差异性分析，若误差值超过自定义误差上限，更新数值仿真模型的土体物理力学参数或土体本构模型，重复步骤S3直至误差值低于自定义误差上限，完成数值仿真模型的更新，即完成基于现场试桩试验系统的数字孪生模型(5)的构建。
S5：基于数字孪生模型(5)，开展多向或/和多时程或/和多循环荷载工况下的试桩试验，获取桩身变形、桩身弯矩、桩身振动频率和振型、桩侧土压力计算数据，高精度预测现场试桩试验中桩身变形、桩身弯矩、桩侧土压力，精准获取桩土相互作用曲线，将精准的桩土相互作用曲线用于海上风电基础结构设计。
10.根据权利要求9所述的海上风电数字孪生试桩试验系统建立方法，其特征在于：还包括S6，基于数字孪生模型(5)，建立海上风电超大直径单桩基础原型试桩试验的数字孪生模型。
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