CN117454725A - 基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法和设备，属于海上风电基础技术领域。现有的海上风电基础地震载荷仿真方案没有考虑桩土动力效应，使得关于海上风电基础的地震载荷仿真分析不够准确。本发明的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，充分考虑在地震作用下的桩土耦合动力学效应，通过桩土耦合静效应模型对风电场复杂的地质条件进行仿真，得到非线性仿真桩土层；再利用桩土耦合动力效应模型对桩土耦合动力效应进行模拟仿真，得到能体现桩土耦合动态效应的基底剪力；进而通过载荷仿真分析模型，可以准确计算地震等效静力载荷，实现海上风电基础地震载荷作用的结构仿真，方案实用，切实可行。
Description
技术领域
本发明涉及基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法和设备，属于海上风电基础技术领域。
背景技术
海上风电基础作为海上风电机组的支撑结构，无论是单桩还是多桩构型都属于细长模型，对风载荷、波流载荷以及地震载荷都非常敏感，同时风电基础以桩管结构深埋入海床泥面以下几十米，海上风机基础的设计与分析过程中需要考虑桩土耦合效应。因此，考虑桩土耦合效应的地震分析仿真计算对海上风电基础的设计与运维都具有重要意义。
目前针对海上风电基础的地震分析方案，常见的是将海上风电平台基础与泥面交界位置设为固定，在固定位置施加地震载荷进行仿真计算。这种计算方式忽略了桩土耦合作用对结构地震响应的影响，导致海上风电基础地震分析计算结果的可靠性较低。
进一步，中国专利（公告号：CN112818437B）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。
上述方案虽然可以对海上风电单桩基础进行优化设计，但由于没有考虑桩土动力效应，因而无法准确描述因地震导致的桩土之间的动态耦合效应，从而使得关于海上风电基础的地震载荷仿真分析不够准确，进而将影响海上风电基础的结构仿真分析。
进一步，上述方案将桩土非线性特性转为线性弹簧，得到一种线性简化结构，但线性简化结构无法随载荷变化而变化，因而会导致海上风电基础的结构计算精度较低，影响了推广使用。
发明内容
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的一在于提供一种充分考虑在地震作用下的桩土耦合动力学效应，通过桩土耦合静效应模型对风电场复杂的地质条件进行仿真，得到非线性仿真桩土层；再利用桩土耦合动力效应模型对桩土耦合动力效应进行模拟仿真，得到能体现桩土耦合动态效应的基底剪力；进而通过载荷仿真分析模型，可以准确计算地震等效静力载荷，实现海上风电基础地震载荷作用的结构仿真，方案实用，切实可行的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法和设备。
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的二在于提供一种通过非线性土弹簧将桩土非线性特性转换为非线性仿真桩土层，可以随载荷变化而变化，能够有效提升海上风电基础的结构计算精度，便于推广使用的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法和设备。
为实现上述目的之一，本发明的第一种仿真技术方案如下所示：
基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，包括以下步骤：
第一步，获取海上风电基础数据，其包括桩管结构尺寸信息和海上风电基础所在位置的地质勘测数据；
第二步，通过预先构建的桩土耦合静效应模型，对海上风电基础数据进行非线性土弹簧的转换，得到非线性仿真桩土层；
第三步，将非线性仿真桩土层作为约束边界条件，利用基于超单元凝聚算法构建的桩土耦合动力效应模型，根据地震谱数据进行海上风电基础的反应谱分析，得到能体现桩土耦合动态效应的基底剪力，完成桩土耦合动力效应的模拟仿真；
第四步，采用预先构建的载荷仿真分析模型，基于基底剪力，得到地震作用下的地震等效静力载荷，实现海上风电基础地震载荷作用的结构仿真。
本发明充分考虑在地震作用下的桩土耦合动力学效应，通过桩土耦合静效应模型对风电场复杂的地质条件进行仿真，得到非线性仿真桩土层；再利用桩土耦合动力效应模型对桩土耦合动力效应进行模拟仿真，得到能体现桩土耦合动态效应的基底剪力；进而通过载荷仿真分析模型，可以准确计算地震等效静力载荷，实现海上风电基础地震载荷作用的结构仿真，方案实用，切实可行。
进一步，本发明通过非线性土弹簧将桩土非线性特性转换为非线性仿真桩土层，非线性仿真桩土层可以随载荷变化而变化，因而可以有效提升海上风电基础的结构计算精度，便于推广使用。
更进一步，本发明可以在复杂的地质条件下完成海上风电基础的动力仿真分析；并通过将地震反应谱分析的动力分析转化为等效静力分析，进而可以线性叠加其他静力工况，因而可以实现海上风电基础的快速耦合计算，对海上风电平台的设计、运维有重要的指导意义。
作为优选技术措施：
所述第一步中，桩管结构尺寸信息至少包括桩管结构长度、桩管结构直径、桩截面分组以及若干节点数据；
地质勘测数据至少包括海上风电基础所在位置的土层深度、土质类型和抗拔系数。
作为优选技术措施：
所述第二步中，通过桩土耦合静效应模型得到非线性仿真桩土层的方法如下：
步骤21.根据地质勘测数据，得到能够表征桩孔的地质信息；
步骤22.按土层分布特征，对地质信息进行划分，得到有限元网格；
步骤23.基于非线性土弹簧算法，在有限元网格上，设置仿真弹簧规范参数；
步骤24.根据仿真弹簧规范参数，将地质信息转换为若干非线性土弹簧单元；
步骤25.将若干非线性土弹簧单元施加到桩管结构对应深度上，得到非线性仿真桩土层。
作为优选技术措施：
若干非线性土弹簧单元包括轴向仿真土弹簧、径向仿真土弹簧、杆端仿真土弹簧和弯曲仿真土弹簧；
轴向仿真土弹簧沿着桩管结构轴向方向进行施加，径向仿真土弹簧沿桩管结构径向的两个正交水平方向进行施加，杆端仿真土弹簧施加到桩管结构端部的节点上，弯曲仿真土弹簧在桩管结构轴向的垂直平面内进行施加。
作为优选技术措施：
所述第三步中，利用桩土耦合动力效应模型得到基底剪力的方法如下：
步骤31.设置一个初始水平加速度，并根据初始水平加速度计算惯性力工况，用于等效地震作用；
步骤32.基于初设的惯性力工况，施加非线性仿真桩土层的约束边界条件进行桩土线性化分析，计算在惯性力工况载荷作用下的各个非线性土弹簧单元的变形值；
步骤33.根据变形值，构建桩管结构的刚度矩阵；
步骤34.基于超单元凝聚算法，构建桩管结构的质量矩阵、阻尼矩阵并结合刚度矩阵，进行模态分析求解，得到模态频率和模态振型；
步骤35.根据模态频率和模态振型，并结合输入的地震谱数据，进行反应谱分析，得到第一仿真基底剪力或/和第一仿真倾覆力矩；
步骤36.根据第一仿真基底剪力或/和第一仿真倾覆力矩，计算得到收敛系数；并对收敛系数进行判断，当收敛系数大于设定阈值时，执行步骤37；
当收敛系数小于设定阈值时，执行步骤38；
步骤37.将初始水平加速度进行更新，得到新的初始水平加速度，重新执行步骤31至步骤36，直至收敛系数小于设定阈值时停止；
步骤38.将新的初始水平加速度作为等效水平加速度，并将基于等效水平加速度计算得到的第一仿真基底剪力，作为基底剪力。
作为优选技术措施：
计算惯性力工况的方法如下：
根据初始水平加速度，设置一折算系数；
基于折算系数、单桩基础裸露结构的质量、重力加速度，计算得到惯性力工况。
作为优选技术措施：
根据第一仿真基底剪力和第一仿真倾覆力矩，计算得到收敛系数的方法如下：
步骤361.基于初始水平加速度，进行桩土线性化静力分析，得到第二仿真基底剪力和第二仿真倾覆力矩；
步骤362.将第一仿真基底剪力和第二仿真基底剪力进行分析对比，得到第一仿真收敛系数；
将第一仿真倾覆力矩与第二仿真倾覆力矩进行分析对比，得到第二仿真收敛系数；
步骤363.第一仿真收敛系数和第二仿真收敛系数择一作为收敛系数。
作为优选技术措施：
通过桩土线性化静力分析得到第二仿真基底剪力和第二仿真倾覆力矩的方法如下：
根据初始水平加速度，计算桩土的工况受力；
将工况受力施加到非线性仿真桩土层上，并进行一次或多次静力分析，得到第二仿真基底剪力和第二仿真倾覆力矩。
作为优选技术措施：
所述第四步中，采用载荷仿真分析模型得到地震等效静力载荷的方法如下：
步骤41.根据海上风电基础数据中的桩管结构尺寸信息，得到桩管结构的节点数据；
节点数据包括节点高程和节点重力；
步骤42.基于节点高程、节点重力以及基底剪力，得到节点的地震作用力；
步骤43.将所有节点的地震作用力进行累积，得到海上风电基础在地震作用下的等效静力。
为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案如下所示：
一种电子设备，其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法。
与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明充分考虑在地震作用下的桩土耦合动力学效应，通过桩土耦合静效应模型对风电场复杂的地质条件进行仿真，得到非线性仿真桩土层；再利用桩土耦合动力效应模型对桩土耦合动力效应进行模拟仿真，得到能体现桩土耦合动态效应的基底剪力；进而通过载荷仿真分析模型，可以准确计算地震等效静力载荷，实现海上风电基础地震载荷作用的结构仿真，方案实用，切实可行。
进一步，本发明通过非线性土弹簧将桩土非线性特性转换为非线性仿真桩土层，非线性仿真桩土层可以随载荷变化而变化，因而可以有效提升海上风电基础的结构计算精度，便于推广使用。
附图说明
图1为本发明海上风电基础地震载荷仿真方法的一种流程图；
图2为本发明径向仿真土弹簧的一种变化曲线；
图3为海上风电基础应用场景的一种示意图。
附图标记说明：
1、海上风电单桩基础；11、单桩基础裸露结构；12、桩管结构；13、桩头点；2、海平面；3、土壤。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明海上风电基础地震载荷仿真方法的第一种具体实施例：
基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，包括以下步骤：
第一步，获取海上风电基础数据，其包括桩管结构尺寸信息和海上风电基础所在位置的地质勘测数据；
第二步，通过预先构建的桩土耦合静效应模型，对海上风电基础数据进行非线性土弹簧的转换，得到非线性仿真桩土层；
第三步，将非线性仿真桩土层作为约束边界条件，利用基于超单元凝聚算法构建的桩土耦合动力效应模型，根据地震谱数据进行海上风电基础的反应谱分析，得到能体现桩土耦合动态效应的基底剪力，完成桩土耦合动力效应的模拟仿真；
第四步，采用预先构建的载荷仿真分析模型，基于基底剪力，得到地震作用下的地震等效静力载荷，实现海上风电基础地震载荷作用的结构仿真。
本发明海上风电基础地震载荷仿真方法的第二种具体实施例：
基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法是一种考虑桩土非线性耦合效应和地震工况的协同作用的针对海上风电基础设计的地震载荷仿真方法，其包括以下步骤：
S1:根据设计的海上风电基础所在位置的地质勘测数据和桩管结构尺寸信息，依据石油学会规范（API）或岩土工程研究规范（NGI），构建桩土耦合静效应模型，用于仿真得到非线性仿真桩土层。
地质勘测数据包括土层深度、土质类型、抗拔系数等，桩管结构尺寸信息包括长度、直径、桩截面分组等。
非线性仿真桩土层包括沿桩管结构不同深度分布的轴向仿真土弹簧、径向仿真土弹簧、杆端仿真土弹簧、弯曲仿真土弹簧。
S2:在海上风电基础模型的桩管结构施加非线性仿真桩土层，根据施加的初始水平加速度，计算得到惯性力工况LC0，并执行桩土线性化分析，根据桩土线性化的静力分析结果数据集，提取桩头点的第二仿真基底剪力/>或第二仿真倾覆力矩/>。
S3:采用超单元凝聚算法，构建桩土耦合动力效应模型，用于根据地震谱数据进行海上风电基础的反应谱分析，其具体包括以下内容：
首先将桩管结构的桩土动力边界效应等效为桩头点的维度的超单元的质量矩阵/>、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>；然后在单桩基础裸露结构的整体质量阵、刚度阵和阻尼阵中的桩头节点上分别叠加上超单元的质量矩阵/>、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>，再进行模态分析，得到模型的固有频率和振型；进而基于模态叠加法进行地震谱作用下的反应谱分析，提取反应谱分析中的桩头点的第一仿真基底剪力/>或第一仿真倾覆力矩/>。
S4:比较反应谱分析的第一仿真基底剪力或第一仿真倾覆力矩/>与第二仿真基底剪力/>或第二仿真倾覆力矩/>的差值，若两种基底剪力或两种倾覆力矩的绝对差值超过设定的容差值（一般取为0.001），则修改惯性力工况LC0的水平加速度值，重复S2-S3的计算步骤，直到比较结果在容差范围内。
S5:采用载荷仿真分析模型，利用地震等效静力算法计算单桩基础裸露结构中各节点的地震等效静力载荷。
进而可将本发明计算得到地震等效静力载荷与其他工况的静力载荷进行线性叠加，得到海上风电基础所需承受的总静力载荷，然后对整个海上风电基础进行考虑桩土相互作用的静力分析，得到地震载荷作用下的海上风电基础的位移、载荷和应力应变等结果。
其他工况包括风载荷工况、自重工况、波浪工况等。
海上风电基础包括单桩基础裸露结构和施加非线性仿真桩土层的桩管结构。
本发明得到非线性仿真桩土层的一种具体实施例：
得到非线性仿真桩土层的方法如下：
依据石油学会规范（API）和岩土工程研究规范（NGI）等不同规范由桩孔的地质条件转化为非线性仿真桩土层，来等效表达桩土耦合效应。
以砂土土层的径向仿真土弹簧为例，水平作用力与水平变形量/>的计算公式如下所示：
其中，为在深度H位置的极限抗弯强度，单位为/>.(/>)；
为初始抗力模量，单位为/>.(/>)；
为水平变形量，单位为m.(in)；
为深度，单位为m.(in)；
为循环加载或静力加载工况下考虑的系数，具体如下所示：
当时，用于表征循环加载工况；
当用于表征静力加载工况，其计算公式如下：
其中，为桩管外径。
进而可知，在深度为1.57米处，径向仿真土弹簧的水平作用力随水平变形量/>的变化情况，可参见图2。
根据桩管结构所在桩孔的细分土层参数输入，按土层分布将桩管结构进行划分，得到有限元网格，所述有限元网格设有若干节点；再将计算得到的径向仿真土弹簧、轴向仿真土弹簧、弯曲仿真土弹簧分别施加到对应土层的中间节点上，其中径向仿真土弹簧沿桩管结构径向的两个正交水平方向进行施加，轴向仿真土弹簧和杆端仿真土弹簧沿着桩管结构轴向方向进行施加，弯曲仿真土弹簧施加在桩管结构轴向的垂直平面内，杆端仿真土弹簧施加到桩管结构端部节点上，进而可以通过非线性仿真弹簧单元或一维离散单元定义非线性仿真桩土层。
本发明进行桩土线性化分析的一种具体实施例：
桩土线性化分析包括以下内容：
由于地震的动力作用，海上风电基础的桩土耦合作用随不同的地震载荷水平变化而动态变化，因此，本申请设置一个惯性力工况LC0来近似等效地震作用，该惯性力工况的惯性力初值取为单桩基础裸露结构的质量MASS乘以重力加速度g乘以加速度折算系数。由于需要进行反复迭代计算，加速度折算系数的初值可以随意取值。
基于初设的惯性力工况LC0，对包括桩管结构的海上风电基础，施加非线性仿真桩土层的约束边界条件进行桩土线性化分析，计算该惯性力工况载荷作用下的各个非线性仿真桩土层的变形值，提取变形值对应的割线刚度作为弹性约束施加于桩管结构的节点上，组装桩管结构的维度的质量矩阵/>和刚度矩阵/>，其中/>为桩管结构模型的总自由度数，桩管结构的刚度矩阵/>与初设的惯性力工况LC0的载荷水平相关。
同时，根据具体设计中的要求，可以按照海上风电基础的桩头点处的基底剪力或倾覆力矩/>作为校准对象迭代桩土线性化分析中的水平加速度，从而更准确地模拟与地震反应谱输入相匹配的桩土耦合动力效应。
本发明对海上风电基础进行反应谱分析的一种具体实施例：
根据S2中组装的桩管结构的质量矩阵和刚度矩阵/>，作为当前惯性力工况LC0所对应的桩土线性化结果，并采用凝聚算法Guyan或凝聚算法IRS进行超单元矩阵的换算。
凝聚算法Guyan用于桩管结构质量阵、刚度阵的凝聚，其表达式如下所示：
其中，为凝聚算法Guyan凝聚的超单元质量阵，/>为凝聚算法Guyan凝聚的超单元刚度阵，/>为凝聚算法Guyan凝聚的转换矩阵。
凝聚算法IRS的转换矩阵表达式如下所示：
其中，为桩管结构的柔度矩阵。
此时，通过凝聚算法IRS凝聚后得到的质量矩阵与刚度矩阵/>如下所示：
然后通过凝聚算法得到桩管结构凝聚后的超单元质量阵和刚度阵/>，再根据阻尼比/>，可以计算得到超单元阻尼阵/>。
对于待分析的单桩基础裸露结构，构建其质量矩阵、刚度矩阵/>、阻尼矩阵，其矩阵表达式如下所示：
其中，、/>、/>分别为第一个节点对应的质量阵元素、刚度阵元素和阻尼阵元素，/>、/>、/>分别为桩头节点对应的质量阵元素、刚度阵元素和阻尼阵元素。将桩管结构凝聚后的超单元矩阵叠加到关于单桩基础裸露结构的整体矩阵的桩头点位置中，构建形成考虑桩土耦合动力效应的全新的质量阵/>、刚度阵/>、阻尼阵/>，其表达式如下所示：
再根据重新组装后的矩阵，进行模态分析求解，提取足够的模态阶数，一般默认提取前50阶，以确保模态有效质量系数达到90%以上，并记录各阶模态频率和模态振型/>。根据计算输入的地震反应谱，执行反应谱分析，提取新模型的基底剪力/>或倾覆力矩/>。
本发明计算收敛系数的一种具体实施例：
获取反应谱分析的第一仿真基底剪力或第一仿真倾覆力矩/>和桩土线性化静力分析的第二仿真基底剪力/>或第二仿真倾覆力矩/>；然后计算两种基底剪力或两种倾覆力矩的比值，其计算公式如下所示：
实际应用时，只需要计算一种收敛系数即可，当所选择的收敛系数超过允许容差范围，则S2中的水平加速度/>进行更新，得到新的水平加速度/>，然后重新进行按照S2-S3进行分析计算，直到迭代到满足要求停止；新的水平加速度的计算公式如下：
若在允许容差范围内，则停止迭代，并将最终的水平加速度，作为等效水平加速度。
本发明计算地震等效静力载荷的一种具体实施例：
采用节点力法、基底剪力法等算法将地震谱作用等效为施加在海上风电基础各节点上的地震等效静力载荷。节点力法直接提取反应谱分析中各节点的节点力作为地震谱的地震等效静力载荷。基底剪力法的一般地震载荷计算表达式如下所示：
其中，为第/>个节点上的地震作用力，/>为地震产生的基底剪力，/>为第/>个节点的高程，/>为第/>个节点的重力，/>为第/>个节点的高程，/>为第/>个节点的重力。
本实施例中，地震产生的基底剪力为基于最终水平加速度得到的第一仿真基底剪力/>。
应用本发明对某海上风电单桩基础进行地震载荷仿真的一种具体实施例：
如图3所示，在海上风电单桩基础的应用场景中，海上风电单桩基础1包括单桩基础裸露结构11、桩管结构12；单桩基础裸露结构11位于土壤3外面，并有一部分位于海平面2以下；桩管结构12完全置于土壤3里面。
本发明在单桩基础完成设计工况的静力分析和模态分析，提取静力的变形、应力结果和模态的固有频率并达到设计要求后，进行地震工况的校核；并根据设计的地震谱输入，分析校核地震载荷作用下单桩基础的构件是否满足应力比设计要求，其具体包括以下步骤：
步骤一：基于初步设计的某海上风电单桩基础的有限元网格，将单桩基础的桩孔地质参数转化为桩管结构施加的非线性仿真桩土层，包括轴向仿真土弹簧、径向仿真土弹簧、杆端仿真土弹簧和弯曲仿真土弹簧，按照地质参数细分桩管结构为70个有限元单元，通过一维离散单元按不同土层深度分别添加非线性仿真桩土层作为弹性约束边界条件，构建单桩基础的桩土耦合相互作用的载荷仿真分析模型。
步骤二：为了准确模拟地震作用下的桩土耦合动力效应，预设置单桩基础X、Y方向的初始的水平加速度，其值均为0.2g（g为重力加速度），乘以单桩基础的质量MASS，构造初始X、Y方向的惯性力工况一GRVX和惯性力工况二GRVY，并调用有限元求解器，分别执行两个工况的静力分析。本实施例中采用桩头点13的基底剪力作为迭代收敛的判据，将静力分析得到的X和Y方向的第二仿真基底剪力一/>和第二仿真基底剪力二/>。
步骤三：根据惯性力工况一GRVX和惯性力工况二GRVY换算桩管结构的动力学边界条件，并根据地震谱数据计算单桩基础的动力学响应，具体包括以下内容：
首先，根据非线性仿真桩土层迭代至收敛的线性仿真弹簧刚度作为附加刚度，组装单桩基础的桩管结构的质量矩阵和刚度矩阵/>；
接着，设置本实施例中的阻尼比，其值为5%，按照凝聚算法Guyana计算/>维度的超单元质量矩阵/>、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>；
然后，在单桩基础裸露结构11的桩头点13处通过离散单元施加超单元矩阵，构建带超单元的关于单桩基础的桩土耦合动力效应模型，并执行模态分析，提取前50阶模态的固有频率和振型；
最后，通过桩土耦合动力效应模型在桩头点13加载地震谱数据进行反应谱分析，提取单桩基础在X、Y方向上的第一仿真基底剪力一和第一仿真基底剪力二/>。
步骤四：迭代对比，直至静力分析和反应谱分析的基底剪力结果一致，则单桩基础中桩管结构凝聚的超单元可以准确模拟地震作用下的桩土耦合相互作用。
根据步骤二和步骤三的基底剪力计算结果，计算单桩基础在X、Y方向上的收敛系数一和收敛系数二/>，其计算公式如下所示：
当未达到收敛的标准，重新调整步骤二中的X、Y方向的水平加速度为0.107g，并重新进行步骤二和步骤三的迭代。经过多次迭代后，按照基底剪力的收敛系数判定桩土非线性分析与地震反应谱分析的基底剪力匹配，此时，X、Y方向的水平加速度/>、/>分别为0.0802g、0.0822g。
步骤五：采用地震等效静力算法构建载荷仿真分析模型，用于将地震谱数据转换为单桩基础上施加的地震等效静力载荷。获知地震等效静力载荷后，再线性叠加其他自重、风载荷、波流等工况的静力载荷，进行桩土耦合相互作用的载荷仿真分析，完成地震工况下的单桩基础的结构分析，进而可计算得到单桩基础的位移、应力等仿真结果，最后按照相关标准规范计算并校验单桩基础各构件的应力比不超过1，因此本实施例的单桩基础结构设计满足地震校验的要求。
综上，本发明考虑了在地震作用下的桩土耦合动力学效应，通过构建桩土耦合静效应模型、桩土耦合动力效应模型，实现在复杂的非均匀地质条件下完成海上风电基础的动力仿真分析；同时，通过将地震反应谱分析的动力分析转化为等效静力分析，可以线性叠加其他静力工况，因而实现了风机基础考虑地震和风、浪、流、自重等其他荷载的快速耦合计算，对海上风电平台的设计、运维有重要的指导意义。
应用本发明方法的一种设备实施例：
一种电子设备，其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法。
应用本发明方法的一种计算机介质实施例：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包括有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（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。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备（系统）、计算机程序产品的流程图或/和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图或/和方框图中的每一流程或/和方框以及流程图或/和方框图中的流程或/和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
包括以下步骤：
第一步，获取海上风电基础数据，其包括桩管结构尺寸信息和海上风电基础所在位置的地质勘测数据；
第二步，通过预先构建的桩土耦合静效应模型，对海上风电基础数据进行非线性土弹簧的转换，得到非线性仿真桩土层；
第三步，将非线性仿真桩土层作为约束边界条件，利用基于超单元凝聚算法构建的桩土耦合动力效应模型，根据地震谱数据进行海上风电基础的反应谱分析，得到能体现桩土耦合动态效应的基底剪力，完成桩土耦合动力效应的模拟仿真；
第四步，采用预先构建的载荷仿真分析模型，基于基底剪力，得到地震作用下的地震等效静力载荷，实现海上风电基础地震载荷作用的结构仿真。
2.如权利要求1所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
所述第一步中，桩管结构尺寸信息至少包括桩管结构长度、桩管结构直径、桩截面分组以及若干节点数据；
地质勘测数据至少包括海上风电基础所在位置的土层深度、土质类型和抗拔系数。
3.如权利要求1所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
所述第二步中，通过桩土耦合静效应模型得到非线性仿真桩土层的方法如下：
步骤21.根据地质勘测数据，得到能够表征桩孔的地质信息；
步骤22.按土层分布特征，对地质信息进行划分，得到有限元网格；
步骤23.基于非线性土弹簧算法，在有限元网格上，设置仿真弹簧规范参数；
步骤24.根据仿真弹簧规范参数，将地质信息转换为若干非线性土弹簧单元；
步骤25.将若干非线性土弹簧单元施加到桩管结构对应深度上，得到非线性仿真桩土层。
4.如权利要求3所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
若干非线性土弹簧单元包括轴向仿真土弹簧、径向仿真土弹簧、杆端仿真土弹簧和弯曲仿真土弹簧；
轴向仿真土弹簧沿着桩管结构轴向方向进行施加，径向仿真土弹簧沿桩管结构径向的两个正交水平方向进行施加，杆端仿真土弹簧施加到桩管结构端部的节点上，弯曲仿真土弹簧在桩管结构轴向的垂直平面内进行施加。
5.如权利要求4所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
所述第三步中，利用桩土耦合动力效应模型得到基底剪力的方法如下：
步骤31.设置一个初始水平加速度，并根据初始水平加速度计算惯性力工况，用于等效地震作用；
步骤32.基于初设的惯性力工况，施加非线性仿真桩土层的约束边界条件进行桩土线性化分析，计算在惯性力工况载荷作用下的各个非线性土弹簧单元的变形值；
步骤33.根据变形值，构建桩管结构的刚度矩阵；
步骤34.基于超单元凝聚算法，构建桩管结构的质量矩阵、阻尼矩阵并结合刚度矩阵，进行模态分析求解，得到模态频率和模态振型；
步骤35.根据模态频率和模态振型，并结合输入的地震谱数据，进行反应谱分析，得到第一仿真基底剪力或/和第一仿真倾覆力矩；
步骤36.根据第一仿真基底剪力或/和第一仿真倾覆力矩，计算得到收敛系数；并对收敛系数进行判断，当收敛系数大于设定阈值时，执行步骤37；
当收敛系数小于设定阈值时，执行步骤38；
步骤37.将初始水平加速度进行更新，得到新的初始水平加速度，重新执行步骤31至步骤36，直至收敛系数小于设定阈值时停止；
步骤38.将新的初始水平加速度作为等效水平加速度，并将基于等效水平加速度计算得到的第一仿真基底剪力，作为基底剪力。
6.如权利要求5所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
计算惯性力工况的方法如下：
根据初始水平加速度，设置一折算系数；
基于折算系数、单桩基础裸露结构的质量、重力加速度，计算得到惯性力工况。
7.如权利要求6所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
根据第一仿真基底剪力和第一仿真倾覆力矩，计算得到收敛系数的方法如下：
步骤361.基于初始水平加速度，进行桩土线性化静力分析，得到第二仿真基底剪力和第二仿真倾覆力矩；
步骤362.将第一仿真基底剪力和第二仿真基底剪力进行分析对比，得到第一仿真收敛系数；
将第一仿真倾覆力矩与第二仿真倾覆力矩进行分析对比，得到第二仿真收敛系数；
步骤363.第一仿真收敛系数和第二仿真收敛系数择一作为收敛系数。
8.如权利要求7所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
通过桩土线性化静力分析得到第二仿真基底剪力和第二仿真倾覆力矩的方法如下：
根据初始水平加速度，计算桩土的工况受力；
将工况受力施加到非线性仿真桩土层上，并进行一次或多次静力分析，得到第二仿真基底剪力和第二仿真倾覆力矩。
9.如权利要求1-8任一所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法，其特征在于：
所述第四步中，采用载荷仿真分析模型得到地震等效静力载荷的方法如下：
步骤41.根据海上风电基础数据中的桩管结构尺寸信息，得到桩管结构的节点数据；
节点数据包括节点高程和节点重力；
步骤42.基于节点高程、节点重力以及基底剪力，得到节点的地震作用力；
步骤43.将所有节点的地震作用力进行累积，得到海上风电基础在地震作用下的等效静力。
10.一种电子设备，其特征在于：
其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-9任一所述的基于超单元凝聚的海上风电基础地震载荷仿真方法。
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