CN113761686A - 一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，包括以下步骤：步骤1，选取各种不同分形维数的植物叶脉作为训练对象；步骤2，以不同分形维数的植物叶脉为学习目标，基于深度学习算法提取植物叶脉位图中所具有的几何规律，并以叶脉分支阶数、叶脉分形维数以及生成点阵密度为输出参数，构成具有特定分形维数的普适性点阵；步骤3，将普适性点阵通过设计软件对称内嵌于风力机支撑结构的壁面，仿生内肋的铺设部位根据风力机支撑结构在各种承载环境下的结构问题进行确认；步骤4，基于有限元方法对不同厚度的仿生内肋的支撑结构动力学特性进行校核，来对仿生内肋的厚度进行调整。

Description

一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法
技术领域
本发明属于风力机支撑结构领域，具体涉及一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法。
背景技术
风力机结构需要面对土壤柔性、湍流风、海浪、海流、台风及地震等多重挑战。就海上风力机而言，10MW风力机顶部有百米的风轮直径，底部有数十米的海洋深度，大跨度结构依赖海床中的桩基以实现稳定性。由于风力机顶部的气动、电机及控制系统运行条件苛刻，因此支撑结构的动力学特性及稳定性将直接影响风力机使用寿命及发电效率。此外，依据工程统计，风力机支撑结构成本约占总成本的30％，在较深海域甚至达到35％，如果包括安装费用，支撑结构部分的投资将达到总工程投资的40％以上。为此，有必要通过高效、合理的方式对支撑结构进行强化，以延长使用寿命、提高结构稳定性，从而实现度电成本的降低。
然而，目前普通的塔架支撑结构存在一定的结构问题：为保证风力机发电效率，降低塔影效应影响及具备良好的卸载能力，通常设计为细长柔性体，导致其应力应变在塔壁分布不合理性，从而导致其抗疲劳能力较差。
为提高塔架性能，通过结构改型影响支撑结构自身动力学特性是一种非常有效的强化手段。为此，有学者在塔架外部开展改型，安装多种机械结构，以期实现结构稳定性的提高，或疲劳的转移。但风力机支撑结构外部的大幅改型不仅未考虑耗材成本与施工的可能性，而且外部改型势势必对流域产生影响，塔影效应的变化会导致发电效率降低，而且多种运动机械自身就存在一定的安全问题。此外，也有学者基于仿生结构对风力机支撑结构进行改型，但该方法存在固有频率变化导致共振风险加剧的问题。从工程实际应用角度出发，风力机支撑结构固有频率存在特性的频带需求，以10MW风力机为例，当风力机风轮设计转速运行范围为6.0rpm～9.6rpm，对应的旋转频率1P(单个叶片运行时通过频率)变化范围为0.10Hz～0.16Hz，叶片通过频率3P(三个叶片运行时通过频率)变化范围为0.3Hz～0.48Hz。为避免共振影响风力机运行安全，风力机叶片和塔架等主要运动部件的固有频率应避开1P和3P频率变化范围。介于1P和3P之间的频率带一般被认为是塔架低阶模态固有频率，考虑10％安全误差，理想设计区间为0.166Hz～0.282Hz。因此，需要通过设计使得改型后支撑结构的动力学特性在适合频段内，且也需要同时考虑改型后的抗疲劳和屈曲性能。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法。
本发明提供了一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，用于设计一种加装铺设于风力机支撑结构内部的仿生内肋，来改进风力机支撑结构的力学问题，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，选取各种不同分形维数的植物叶脉作为训练对象；
步骤2，以不同分形维数的植物叶脉为学习目标，基于深度学习算法提取植物叶脉位图中所具有的几何规律，并以叶脉分支阶数、叶脉分形维数以及生成点阵密度为输出参数，构成具有特定分形维数的普适性点阵；
步骤3，将普适性点阵通过设计软件对称内嵌于风力机支撑结构的壁面，仿生内肋的铺设部位根据风力机支撑结构在各种承载环境下的结构问题进行确认；
步骤4，基于有限元方法对不同厚度的仿生内肋的支撑结构动力学特性进行校核，来对仿生内肋的厚度进行调整。
在本发明提供的风力机支撑结构仿生内肋的设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，设计软件为三维CAD软件。
本发明还提供了一种风力机支撑结构仿生内肋，其特征在于：采用本发明的风力机支撑结构仿生内肋的设计方法设计而成。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，
采用了分形与深度学习算法相结合的手段，将各种不同分形维数的植物叶脉为训练样本，以叶脉分支阶数、叶脉分形维数及生成点阵密度为输出参数，构成具有普适性的点阵，并采用有限元法计算仿生内肋的有效性来对仿生内肋的厚度进行调整，通过将仿生内肋结构加装铺设于风力机支撑结构内部，能够有效改进当前支撑结构存在的力学问题。本发明在保持原本结构优势的基础上，设计得到低耗材、易加工、易安装的普适应结构，提升结构抗疲劳与抗屈曲能力，并对过渡连接结构局部存在的结构问题进行优化，能够降低风力机支撑结构屈曲及疲劳损伤风险，延长使用寿命。
附图说明
图1是本发明的实施例中一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法的流程图；
图2是本发明的实施例中具有不同分形维数的植物叶脉图；
图3是本发明的实施例中的四维仿生叶脉点阵；
图4是本发明的实施例中的根据风力机支撑结构的结构问题确定仿生内肋的铺设部位的流程图；
图5是本发明的实施例中的铺设有仿生内肋的风力机支撑结构的模态计算结果图；
图6是本发明的实施例中的支撑结构过渡段的仿生内肋设计图、仿生内肋三维模型以及风力机正常运行时塔架与过渡段在峰值时刻应力响应云图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法的流程图。
如图1所示，本实施例的一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，用于设计一种加装铺设于风力机支撑结构内部的仿生内肋，来改进风力机支撑结构的力学问题，包括以下步骤：
步骤1，选取各种不同分形维数的植物叶脉作为训练对象。
图2是本发明的实施例中具有不同分形维数的植物叶脉图。
如图2所示，图中a-i分别为具有不同分形维数的植物叶脉图。
步骤2，以不同分形维数的植物叶脉为学习目标，基于深度学习算法提取植物叶脉位图中所具有的几何规律，并以叶脉分支阶数、叶脉分形维数以及生成点阵密度为输出参数，构成具有特定分形维数的普适性点阵。
图3是本发明的实施例中的四维仿生叶脉点阵。
如图3所示，本实施例输出的普适性点阵为具有普适性的四维仿生叶脉点阵。
步骤3，将普适性点阵通过三维CAD软件对称内嵌于风力机支撑结构的壁面，仿生内肋的铺设部位根据风力机支撑结构在各种承载环境下的结构问题进行确认。
图4是本发明的实施例中的根据风力机支撑结构的结构问题确定仿生内肋的铺设部位的流程图。
图4中a为埋桩深38m的单桩式10MW海上风力机模型，b为风力机模型的应力及屈曲计算结果，c为仿生内肋模型。
如图4所示，以埋桩深38m的单桩式10MW海上风力机为例(图4a)，其塔架壁面应力分布集中于结构前后壁面，塔架与底部桩基连接的过渡结构因外径与壁厚的快速变化导致易屈曲(图4b)。因此，针对于这两部分铺设仿生内肋，将该普适性点阵通过三维CAD软件对称内嵌于风力机支撑结构壁面(图4c)。
步骤4，基于有限元方法对不同厚度的仿生内肋的支撑结构动力学特性进行校核，来对仿生内肋的厚度进行调整。
图5是本发明的实施例中的铺设有仿生内肋的风力机支撑结构的模态计算结果图。
图5中a为铺设有仿生内肋的10MW海上风力机的模态振型，b为不同厚度仿生内肋支撑结构固有频率。
如图5所示，通过模态振型分析可知，内肋的铺设并未改变支撑结构原有的模态振型(图5a)。通过分析确定不同厚度仿生内肋一阶、二阶固有频率是否在安全阈值范围内，并实现对支撑结构各阶固有频率的微调(图5b)。模态固有频率分析发现随仿生内肋壁厚的增加，二阶前后向与侧向频率逐渐趋近，一阶前后向与侧向频率逐渐拉远。支撑结构受载冲击响应以一阶振型为主，而且风载荷作用导致支撑结构响应主要以前后向的摆振为主。一阶前后向与侧向固有频率的差异可有效规避掉侧向结构及控制系统，仅对支撑结构前后向动力学特性进行强化。由此实现了低耗材、低成本的目的。
本实施例中，还通过多物理场耦合平台对风力机支撑结构承载特性进行验证。图6是本发明的实施例中的支撑结构过渡段的仿生内肋设计图、仿生内肋三维模型以及风力机正常运行时塔架与过渡段在峰值时刻应力响应云图。
图6中a为仿生内肋设计图，b为仿生内肋三维模型，c为铺设有仿生内肋的风力机支撑结构的应力响应云图，d为原始的风力机支撑结构的应力响应云图。
如图6所示，分析可知原支撑结构中过渡段底部与埋土桩基衔接的部分应力响应分布不均匀，导致局部承载压力过大，发生屈曲及疲劳损伤概率高，如图6(d)。针对过渡段结构问题设计仿生内肋，如图6(a)，并构建仿生内肋三维模型，如图6(b)，通过对应设计并铺设仿生内肋能够在有效解决上述问题的同时，实现对塔架壁面应力分布的改善，从而降低屈曲及疲劳损伤的风险，见图6(c)。
本实施例的一种风力机支撑结构仿生内肋通过本发明的风力机支撑结构仿生内肋的设计方法设计而成。本发明的设计方法将类龙骨结构的植物叶脉构建为二维数学点阵模型，并将该二维点阵通过三维建模应用于风力机支撑结构上，采用增、减材相结合的方法在支撑结构内壁面形成仿生内肋。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，采用了分形与深度学习算法相结合的手段，将各种不同分形维数的植物叶脉为训练样本，以叶脉分支阶数、叶脉分形维数及生成点阵密度为输出参数，构成具有普适性的点阵，并采用有限元法计算仿生内肋的有效性来对仿生内肋的厚度进行调整，通过将仿生内肋结构加装铺设于风力机支撑结构内部，能够有效改进当前支撑结构存在的力学问题。本实施例在保持原本结构优势的基础上，设计得到低耗材、易加工的普适应结构，提升结构抗疲劳与抗屈曲能力，并对过渡连接结构局部存在的结构问题进行优化。
进一步的，为避免某一种植物叶脉所具有的特殊性，本实施例在针对于每一种风力机支撑结构进行仿生内肋设计时，采用深度学习算法，对植物种类、叶脉分支阶数、叶脉分形维数及生成点阵密度进行调整，得到普适于各种兆瓦级风力机仿生内肋支撑结构。同时针对于每种结构承载的特殊性进行微调，有效增强了普适性。
进一步的，在风力机承受湍流风、海浪及海流等寻常载荷或台风、地震或撞击等极端载荷时，本实施例设计的仿生内肋结构整体稳定更好，能够控制塔顶振动幅值，增强风力机支撑稳定性。
进一步的，本实施例可通过仿生内肋厚度及分布规律的调整来优化结构动力学特性，能够在保证借由动力学特性所展现卸载能力的同时，调整结构刚度趋近于最优值，避开某些寻常环境载荷所处频带，避免共振的同时，借由气弹阻尼效应增强结构稳定性。
进一步的，考虑到支撑结构受载冲击时，整体承载压力集中于结构前后壁面，且承台或过度结构与塔基连接位置应力较高。本实施例设计的仿生内肋结构能够有效优化应力分布规律，令结构均匀承载，降低局部峰值与集中现象，降低屈曲及疲劳损伤风险，延长使用寿命。
进一步的，本实施例设计的的仿生内肋结构能够合理衔接塔架与底部承台或塔架与过渡结构，有效匹配两部分动力学特性，同时对局部应力进行优化，防止两部分拼接而成的结构动力学特性变化，甚至导致应力应变容易集中在承台或过渡结构，损伤风险加剧。
进一步的，本实施例设计的仿生内肋的安装便捷，能够降低结构耗材，该仿生内肋可以在塔架制造时进行安装，对于现役风力机，可拆解运输至风场并在塔架内部进行拼装。同时根据植物中心的加强筋对应力集中区域进行着重加强，有效缓解局部加强结构设计导致的损伤部位转移现象。
进一步的，本实施例设计的仿生内肋结构不仅实现了支撑结构自身动力学特性在可行范围内的微调，同时保留了原本支撑结构低塔影效应的优势，从而避免对外部流场产生影响，保证发电效率。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，用于设计一种加装铺设于风力机支撑结构内部的仿生内肋，来改进风力机支撑结构的力学问题，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选取各种不同分形维数的植物叶脉作为训练对象；
步骤2，以不同分形维数的所述植物叶脉为学习目标，基于深度学习算法提取所述植物叶脉位图中所具有的几何规律，并以叶脉分支阶数、叶脉分形维数以及生成点阵密度为输出参数，构成具有特定分形维数的普适性点阵；
步骤3，将所述普适性点阵通过设计软件对称内嵌于所述风力机支撑结构的壁面，所述仿生内肋的铺设部位根据所述风力机支撑结构在各种承载环境下的结构问题进行确认；
步骤4，基于有限元方法对不同厚度的所述仿生内肋的支撑结构动力学特性进行校核，来对所述仿生内肋的厚度进行调整。
2.根据权利要求1所述的风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，其特征在于：
其中，所述设计软件为三维CAD软件。
3.一种风力机支撑结构仿生内肋，其特征在于：采用权利要求1-2所述的风力机支撑结构仿生内肋的设计方法设计而成。
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