CN114117663A - 一种海上固定式风机一体化载荷分析方法及系统 - Google Patents

一种海上固定式风机一体化载荷分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上固定式风机一体化载荷分析方法及系统，该方法包括以下步骤：S1、输入参数，构建结构模型；S2、根据结构模型利用超单元凝聚的改进算法计算超单元矩阵；S3、根据超单元矩阵计算批量机位的固有频率和模态振型以及拟合批量机位的特征载荷计算公式；S4、根据批量机位的固有频率和模态振型结合特征载荷计算公式得到每个机位的基础载荷，并输出载荷计算报告；本发明建立了海上风机数值模型，利用超单元凝聚的改进算法得到塔底的超单元矩阵，超单元凝聚的改进算法克服了已有算法忽略惯性项的影响，能够准确模拟海上风机结构运动控制模态，提高算法的准确性，同时对海上风机进行精细化批量处理计算，提高了计算效率，降低了计算成本。

Description

一种海上固定式风机一体化载荷分析方法及系统
技术领域
本发明涉及海上风机载荷分析的技术领域，尤其是指一种海上固定式风机一体化载荷分析方法及系统。
背景技术
海上风电项目开发中，由于不同海域的地质条件和水文条件的差异，从而诞生出不同的海上固定式风机的基础形式，且在大部分的海上项目，同一个项目场，每个机位的地质条件及水深情况分布都不同，固定式基础设计也就会有多种形式或规格，故每个机位的情况都是独一无二的，因此就需要大量的重复性计算工作，这样就需要逐台的进行载荷迭代分析，逐台进行定制化基础及塔筒设计。
在现有设计技术条件下，以一个300MW海上项目单机容量6MW海上风力机项目为例，就有50个机位需要开展定制化基础及塔筒设计，这就需要约1年的设计周期；然而海上风电项目建设窗口期短，往往需要更快的设计进度。
面临这个问题，一般有两个途径：1)大量增加的人力资源及硬件计算资源，增加设计成本；2)采用保守设计，进行机位之间的包络设计，增加项目工程成本。
发明内容
本发明目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种海上固定式风机一体化载荷分析方法及系统，提出泥面刚度矩阵和泥面以上桩体计算得到塔筒底部超单元矩阵，再结合超单元的敏感性分析成果，对海上固定式基础项目中临近的批量机位快速计算得到基础载荷，并自动输出基础载荷计算报告；不仅节省大量的人力及硬件资源，还可提高基础及塔筒载荷复核工作效率。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种海上固定式风机一体化载荷分析方法，包括以下步骤：
S1、输入模型参数文件，建立海上固定式风机的桩基础结构模型以及法兰-塔顶-机组结构模型；
S2、将得到的桩基础结构模型与泥面刚度矩阵耦合后通过超单元凝聚的改进算法得到超单元矩阵；
S3、将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型；同时，计算典型机位的基础载荷敏感性分析，拟合得到批量机位的特征载荷计算公式；
S4、根据得到的批量机位的固有频率和模态振型结合特征载荷计算公式得到批量机位的基础载荷，并自动化输出载荷计算报告。
进一步，所述超单元矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵。
进一步，在步骤S2中，所述超单元凝聚的改进算法，具体如下：
考虑海上固定式风机的结构的运动控制模态，如下公式(1)：
Figure BDA0003344033470000021
其中，K0为凝聚后的刚度矩阵；M0为凝聚后的质量矩阵；I表示单位矩阵；T表示整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵；Kmm表示主自由度的刚度矩阵；Kss表示副自由度的刚度矩阵；Mmm表示主自由度的质量矩阵；Mss表示副自由度的质量矩阵；Kms和Ksm表示主自由度和副自由度刚度矩阵的耦合项；Mms和Msm表示主自由度和副自由度质量矩阵的耦合项；
将动力运动方程，如下公式(2)：
Figure BDA0003344033470000022
其中，xm表示主自由度的位移向量；xs表示副自由度的位移向量；
Figure BDA0003344033470000031
表示主自由度的加速度向量；
Figure BDA0003344033470000032
表示副自由度的加速度向量；Fm表示作用在主自由度上的外荷载向量；
将公式(2)通过Fourier变换得到频域运动方程：
Figure BDA0003344033470000033
其中，ω表示基础结构的固有频率矩阵；
将公式(3)的第二行展开为：
Figure BDA0003344033470000034
将公式(4)按级数展开，并保留ω的二次项为：
Figure BDA0003344033470000035
其中
Figure BDA0003344033470000036
代入公式(5)中可得：
Figure BDA0003344033470000037
其中，Tnew表示求得新的整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵，将Tnew代入到公式(1)的T中，即可求得超单元矩阵的刚度矩阵K0和质量矩阵M0。
进一步，在步骤S3中，具体执行如下操作：
将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型；同时，计算典型机位的基础载荷敏感性分析，将典型机位的基础载荷敏感性分析结果与固有频率拟合得到批量机位的特征载荷计算公式。
本发明所提供的一种海上固定式风机一体化载荷分析系统，包括：
机位数量确认模块，用于输入并确定机位数量，并根据机位数量生成各个机位对应的机位文件夹；
导入参数模块，用于导入模型参数文件和泥面刚度矩阵到对应的机位文件夹中；
建模计算模块，根据输入的模型参数文件，对各个机位建模，建立桩基础结构模型以及法兰-塔顶-机组结构模型，并使桩基础结构模型与泥面刚度矩阵耦合通过超单元凝聚的改进算法计算得到超单元矩阵，进一步计算出批量机位的固有频率和模态振型；
特征载荷算法拟合模块，通过批量机位的固有频率、振动模态与基础载荷的敏感性关系，拟合得到各个机位的特征载荷计算公式；
载荷计算模块，根据批量机位的固有频率和模态振型结合特征载荷计算公式得到每个机位的基础载荷；
载荷报告输出模块，用于固化基础载荷报告模板，自动导入每个机位的基础载荷结果，输出载荷计算报告。
进一步，所述建模计算模块，具体执行以下操作：
根据输入的模型参数文件，对各个机位建模，建立桩基础结构模型模型以及法兰-塔顶-机组结构模型；
将得到的桩基础结构模型与泥面刚度矩阵耦合后通过超单元凝聚的改进算法得到超单元矩阵，所述超单元矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵；
将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型。
进一步，所述超单元凝聚的改进算法，具体如下：
考虑海上固定式风机的结构的运动控制模态，如下公式(7)：
Figure BDA0003344033470000051
其中，K0为凝聚后的刚度矩阵；M0为凝聚后的质量矩阵；I表示单位矩阵；T表示整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵；Kmm表示主自由度的刚度矩阵；Kss表示副自由度的刚度矩阵；Mmm表示主自由度的质量矩阵；Mss表示副自由度的质量矩阵；Kms和Ksm表示主自由度和副自由度刚度矩阵的耦合项；Mms和Msm表示主自由度和副自由度质量矩阵的耦合项；
将动力运动方程，如下公式(8)：
Figure BDA0003344033470000052
其中，xm表示主自由度的位移向量；xs表示副自由度的位移向量；
Figure BDA0003344033470000053
表示主自由度的加速度向量；
Figure BDA0003344033470000054
表示副自由度的加速度向量；Fm表示作用在主自由度上的外荷载向量；
将公式(8)通过Fourier变换得到频域运动方程：
Figure BDA0003344033470000055
其中，ω表示基础结构的固有频率矩阵；
将公式(9)的第二行展开为：
Figure BDA0003344033470000056
将公式(10)按级数展开，并保留ω的二次项为：
Figure BDA0003344033470000057
其中
Figure BDA0003344033470000058
代入公式(11)中可得：
Figure BDA0003344033470000059
其中，Tnew表示求得新的整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵，将Tnew代入到公式(7)的T中，即可求得超单元矩阵的刚度矩阵K0和质量矩阵M0。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明建立海上风机数值模型，利用超单元凝聚的改进算法得到塔底的超单元矩阵，并与法兰-塔顶-机组结构模型进行耦合，批量计算得到的每个机位的固有频率和振动模态；
2、超单元凝聚的改进算法克服了已有算法忽略惯性项的影响，能够准确模拟海上风机结构运动控制模态，提高算法的准确性；
3、本发明能够对海上风机结构进行精细化批量处理计算，极大的提高了计算效率，降低了计算成本。
附图说明
图1为批量机位的固有频率和模态振型的计算流程图。
图2为特征载荷计算公式的拟合曲线图。
图3为海上固定式风机一体化载荷分析系统的页面图之一。
图4为海上固定式风机一体化载荷分析系统的页面图之二。
图5为海上固定式风机一体化载荷分析系统的页面图之三。
图6为海上固定式风机一体化载荷分析系统的页面图之四。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示，为本实施例所提供的海上固定式风机一体化载荷分析方法，包括以下步骤：
S1、输入模型参数文件inputdata.txt，利用ANSYS建立海上固定式风机的桩基础结构模型以及法兰-塔顶-机组结构模型；
S2、将得到的桩基础结构模型与泥面刚度矩阵matrix.txt在冲刷泥面处耦合后通过超单元凝聚的改进算法得到超单元矩阵，所述超单元矩阵包括刚度矩阵K0和质量矩阵M0，保存结果文件ResFlangeKCM.txt；
所述超单元凝聚的改进算法，具体如下：
考虑海上固定式风机的结构的运动控制模态，如下公式(1)：
Figure BDA0003344033470000071
其中，K0为凝聚后的刚度矩阵；M0为凝聚后的质量矩阵；I表示单位矩阵；T表示整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵；Kmm表示主自由度的刚度矩阵；Kss表示副自由度的刚度矩阵；Mmm表示主自由度的质量矩阵；Mss表示副自由度的质量矩阵；Kms和Ksm表示主自由度和副自由度刚度矩阵的耦合项；Mms和Msm表示主自由度和副自由度质量矩阵的耦合项；
将动力运动方程，如下公式(2)：
Figure BDA0003344033470000072
其中，xm表示主自由度的位移向量；xs表示副自由度的位移向量；
Figure BDA0003344033470000073
表示主自由度的加速度向量；
Figure BDA0003344033470000074
表示副自由度的加速度向量；Fm表示作用在主自由度上的外荷载向量；
将公式(2)通过Fourier变换得到频域运动方程：
Figure BDA0003344033470000075
其中，ω表示基础结构的固有频率矩阵；
将公式(3)的第二行展开为：
Figure BDA0003344033470000081
将公式(4)按级数展开，并保留ω的二次项为：
Figure BDA0003344033470000082
其中
Figure BDA0003344033470000083
代入公式(5)中可得：
Figure BDA0003344033470000084
其中，Tnew表示求得新的整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵，将Tnew代入到公式(1)的T中，即可求得超单元矩阵的刚度矩阵K0和质量矩阵M0。
S3、将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型在法兰位置耦合后得到半整体模型，再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型，保存为结果文件ResFreModalFlg.txt；此外，基于模型参数文件inputdata.txt与泥面刚度矩阵matrix.txt能够建立冲刷泥面-法兰-塔顶-机组结构模型，作为海上风机的整体结构，利用ANSYS生成整体结构的刚度矩阵K和质量矩阵M，整体结构的刚度矩阵K和质量矩阵M与泥面刚度矩阵matrix.txt耦合后再通过特征值计算，能够得到整体模型的固有频率和振动模态；
同时，参见图2所示，计算典型机位的基础载荷敏感性分析，拟合得到批量机位的特征载荷计算公式，具体执行如下操作：
计算典型机位的基础载荷敏感性分析，将典型机位的基础载荷敏感性分析结果与固有频率拟合得到批量机位的特征载荷计算公式y＝4.9758x4+20.914x3-32.567x2+22.354x-4.7248；其中，多项式的系数可以因不同R2＝0.9995
项目而不同，x表示各机位的频率，y表示无两个载荷系数；R表示拟合函数的置信度，越接近1表示吻合程度越高；
S4、根据得到的批量机位的固有频率和模态振型结合特征载荷计算公式得到每个机位的基础载荷，并自动化输出载荷计算报告。
参见图3至图6所示，下面为本实施例所提供的海上固定式风机一体化载荷分析系统，包括：
机位数量确认模块，用于输入并确定机位数量，机位数量为首位不为0的整数，并根据机位数量生成各个机位对应的机位文件夹，机位文件夹名称格式为Case-机位号；
导入参数模块，用于导入模型参数文件inputdata.txt和泥面刚度矩阵matrix.txt到对应的机位文件夹中；
建模计算模块，根据输入的模型参数文件inputdata.txt，对各个机位建模，建立桩基础结构模型以及法兰-塔顶-机组结构模型，并使桩基础结构模型与泥面刚度矩阵matrix.txt耦合通过超单元凝聚的改进算法计算得到超单元矩阵，进一步计算出批量机位的固有频率和模态振型，具体执行以下操作：
根据输入的模型参数文件，对各个机位建模，建立桩基础结构模型模型以及法兰-塔顶-机组结构模型；
将得到的桩基础结构模型与泥面刚度矩阵matrix.txt耦合后通过超单元凝聚的改进算法得到超单元矩阵，所述超单元矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵；
将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型。
所述超单元凝聚的改进算法，具体如下：
考虑海上固定式风机的结构的运动控制模态，如下公式(7)：
Figure BDA0003344033470000101
其中，K0为凝聚后的刚度矩阵；M0为凝聚后的质量矩阵；I表示单位矩阵；T表示整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵；Kmm表示主自由度的刚度矩阵；Kss表示副自由度的刚度矩阵；Mmm表示主自由度的质量矩阵；Mss表示副自由度的质量矩阵；Kms和Ksm表示主自由度和副自由度刚度矩阵的耦合项；Mms和Msm表示主自由度和副自由度质量矩阵的耦合项；
将动力运动方程，如下公式(8)：
Figure BDA0003344033470000102
其中，xm表示主自由度的位移向量；xs表示副自由度的位移向量；
Figure BDA0003344033470000103
表示主自由度的加速度向量；
Figure BDA0003344033470000104
表示副自由度的加速度向量；Fm表示作用在主自由度上的外荷载向量；
将公式(8)通过Fourier变换得到频域运动方程：
Figure BDA0003344033470000105
其中，ω表示基础结构的固有频率矩阵；
将公式(9)的第二行展开为：
Figure BDA0003344033470000106
将公式(10)按级数展开，并保留ω的二次项为：
Figure BDA0003344033470000107
其中
Figure BDA0003344033470000108
代入公式(11)中可得：
Figure BDA0003344033470000109
其中，Tnew表示求得新的整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵，将Tnew代入到公式(7)的T中，即可求得超单元矩阵的刚度矩阵K0和质量矩阵M0。
特征载荷算法拟合模块，通过批量机位的固有频率、振动模态与基础载荷的敏感性关系，拟合得到各个机位的特征载荷计算公式
Figure BDA0003344033470000111
其中，多项式的系数可以因不同项目而不同，x表示各机位的频率，y表示无两个载荷系数；R表示拟合函数的置信度，越接近1表示吻合程度越高；
载荷计算模块，根据批量机位的固有频率和模态振型结合特征载荷计算公式得到每个机位的基础载荷；
载荷报告输出模块，用于固化基础载荷报告模板，自动导入每个机位的基础载荷结果，输出载荷计算报告。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种海上固定式风机一体化载荷分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、输入模型参数文件，建立海上固定式风机的桩基础结构模型以及法兰-塔顶-机组结构模型；
S2、将得到的桩基础结构模型与泥面刚度矩阵耦合后通过超单元凝聚的改进算法得到超单元矩阵；
S3、将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型；同时，计算典型机位的基础载荷敏感性分析，拟合得到批量机位的特征载荷计算公式；
S4、根据得到的批量机位的固有频率和模态振型结合特征载荷计算公式得到批量机位的基础载荷，并自动化输出载荷计算报告。
2.根据权利要求1所述的一种海上固定式风机一体化载荷分析方法，其特征在于，所述超单元矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种海上固定式风机一体化载荷分析方法，其特征在于，在步骤S2中，所述超单元凝聚的改进算法，具体如下：
考虑海上固定式风机的结构的运动控制模态，如下公式(1)：
Figure FDA0003344033460000011
其中，K0为凝聚后的刚度矩阵；M0为凝聚后的质量矩阵；I表示单位矩阵；T表示整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵；Kmm表示主自由度的刚度矩阵；Kss表示副自由度的刚度矩阵；Mmm表示主自由度的质量矩阵；Mss表示副自由度的质量矩阵；Kms和Ksm表示主自由度和副自由度刚度矩阵的耦合项；Mms和Msm表示主自由度和副自由度质量矩阵的耦合项；
将动力运动方程，如下公式(2)：
Figure FDA0003344033460000021
其中，xm表示主自由度的位移向量；xs表示副自由度的位移向量；
Figure FDA0003344033460000022
表示主自由度的加速度向量；
Figure FDA0003344033460000023
表示副自由度的加速度向量；Fm表示作用在主自由度上的外荷载向量；
将公式(2)通过Fourier变换得到频域运动方程：
Figure FDA0003344033460000024
其中，ω表示基础结构的固有频率矩阵；
将公式(3)的第二行展开为：
Figure FDA0003344033460000025
将公式(4)按级数展开，并保留ω的二次项为：
Figure FDA0003344033460000026
其中
Figure FDA0003344033460000027
代入公式(5)中可得：
Figure FDA0003344033460000028
其中，Tnew表示求得新的整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵，将Tnew代入到公式(1)的T中，即可求得超单元矩阵的刚度矩阵K0和质量矩阵M0。
4.根据权利要求1所述的一种海上固定式风机一体化载荷分析方法，其特征在于，在步骤S3中，具体执行如下操作：
将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型；同时，计算典型机位的基础载荷敏感性分析，将典型机位的基础载荷敏感性分析结果与固有频率拟合得到批量机位的特征载荷计算公式。
5.一种海上固定式风机一体化载荷分析系统，其特征在于，包括：
机位数量确认模块，用于输入并确定机位数量，并根据机位数量生成各个机位对应的机位文件夹；
导入参数模块，用于导入模型参数文件和泥面刚度矩阵到对应的机位文件夹中；
建模计算模块，根据输入的模型参数文件，对各个机位建模，建立桩基础结构模型以及法兰-塔顶-机组结构模型，并使桩基础结构模型与泥面刚度矩阵耦合通过超单元凝聚的改进算法计算得到超单元矩阵，进一步计算出批量机位的固有频率和模态振型；
特征载荷算法拟合模块，通过批量机位的固有频率、振动模态与基础载荷的敏感性关系，拟合得到各个机位的特征载荷计算公式；
载荷计算模块，根据批量机位的固有频率和模态振型结合特征载荷计算公式得到每个机位的基础载荷；
载荷报告输出模块，用于固化基础载荷报告模板，自动导入每个机位的基础载荷结果，输出载荷计算报告。
6.根据权利要求5所述的一种海上固定式风机一体化载荷分析系统，其特征在于，所述建模计算模块，具体执行以下操作：
根据输入的模型参数文件，对各个机位建模，建立桩基础结构模型模型以及法兰-塔顶-机组结构模型；
将得到的桩基础结构模型与泥面刚度矩阵耦合后通过超单元凝聚的改进算法得到超单元矩阵，所述超单元矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵；
将得到的超单元矩阵结合法兰-塔顶-机组结构模型再通过模态算法程序计算得到批量机位的固有频率和模态振型。
7.根据权利要求6所述的一种海上固定式风机一体化载荷分析系统，其特征在于，所述超单元凝聚的改进算法，具体如下：
考虑海上固定式风机的结构的运动控制模态，如下公式(7)：
Figure FDA0003344033460000041
其中，K0为凝聚后的刚度矩阵；M0为凝聚后的质量矩阵；I表示单位矩阵；T表示整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵；Kmm表示主自由度的刚度矩阵；Kss表示副自由度的刚度矩阵；Mmm表示主自由度的质量矩阵；Mss表示副自由度的质量矩阵；Kms和Ksm表示主自由度和副自由度刚度矩阵的耦合项；Mms和Msm表示主自由度和副自由度质量矩阵的耦合项；
将动力运动方程，如下公式(8)：
Figure FDA0003344033460000042
其中，xm表示主自由度的位移向量；xs表示副自由度的位移向量；
Figure FDA0003344033460000043
表示主自由度的加速度向量；
Figure FDA0003344033460000044
表示副自由度的加速度向量；Fm表示作用在主自由度上的外荷载向量；
将公式(8)通过Fourier变换得到频域运动方程：
Figure FDA0003344033460000045
其中，ω表示基础结构的固有频率矩阵；
将公式(9)的第二行展开为：
Figure FDA0003344033460000046
将公式(10)按级数展开，并保留ω的二次项为：
Figure FDA0003344033460000053
其中
Figure FDA0003344033460000051
代入公式(11)中可得：
Figure FDA0003344033460000052
其中，Tnew表示求得新的整体自由度位移向量和主自由度位移向量的转换关系矩阵，将Tnew代入到公式(7)的T中，即可求得超单元矩阵的刚度矩阵K0和质量矩阵M0。
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