CN117610382B - 一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿真方法，借鉴材料多尺度模拟中的能量耦合方法，发明了异构共融成形结构建模技术，该技术在不破坏交界区连续性的基础上，去除了传统有限元在交界区须有公有节点的要求，从而极大地简化了大型复杂风电结构的建模流程，同时异构共融成形建模技术亦实现了实体单元和结构单元的共融，这在确保大型复杂风电结构的高应力区精细分析的同时，也提升了全结构分析的计算效率，为大型复杂海工结构应力应变的精准预测与控制提供了重要手段。

Description

一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿 真方法

技术领域：

本发明属于风电基础装备领域，具体涉及一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿真方法。

背景技术：

海工结构复杂，部件形式多样，这对其结构仿真分析带来了不少困难。在大型复杂风电结构的实际建模中同时含有梁、板、壳等构件，这对结构仿真的前处理带来了不小的困难。

考虑到有限元分析连续性的内在要求，不同构件单元之间须通过公用节点的方式相互连接。大型复杂风电结构的部件形式多样，相互之间的装配形式复杂，这对其在有限元仿真过程对装配区的网格划分带来了不少困难，如复杂公用边界公用节点导致的网格划分困难，以及节点数目的增多。另一方面，局部高应力区往往需要更为精细的结构分析。使用结构单元进行仿真一般无法满足实际分析需求。对于大型复杂风电结构的全结构精细分析，现有方法需要使用实体单元对其进行全结构建模，因为须消耗大量计算资源，效率低下。

发明内容：

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿真方法，在保证大型复杂风电结构各构件连续性的基础上，极大地简化了大型复杂风电结构的建模流程，实体单元与结构单元共融，高效且精准地预测大型复杂海工结构局部应变与应力。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿真方法，具体步骤包括，

S1、考虑两类不同的构件A与构件B，分别占据空间Ω_A和Ω_B，构件A与构件B之间存在共有的装配区C，其所占据的空间为Ω_C＝Ω_A∩Ω_B，因此，构件A与构件B在建造过程中的能量表示为：

其中σ_A、σ_B与ε_A、ε_B表示构件的应力与应变张量，f_A、f_B与t_A、t_B表示构件所受的体积力和表面力，u_A、u_B则表示构件对应的位移；

S2、考虑到装配区C不同部件之间的位移及应变连续性，装配后系统的总能量表示为：

这里和/>为加权后的构件应变能，满足：

其中α_i与β_i为权重系数，满足α_A+α_B＝β_A+β_B＝1，C(λ,u_A,u_B)为附加的连续性约束，λ为对应的拉格朗日乘子，满足：

其中ε(λ)表示拉格朗日乘子场λ所对应的应变场，l是与尺寸相关的缩放参数；

S3、在有限元仿真过程中，构件A与构件B分别由Type A以及Type B两类单元进行离散，两类单元对应的插值函数为N_A和N_B，对于拉格朗日乘子场λ，亦使用有限元进行离散，其对应的插值函数为N_λ，离散的位移场与拉格朗日乘子场及对应应变场表示为：

u_A＝N_Aq_A；u_B＝N_Bq_B；λ＝N_λq_λ (6)

ε_A＝B_Aq_A；ε_B＝B_Bq_B；ε_λ＝B_λq_λ (7)

因此,经有限元离散的系统总能量表示为：

对系统总能量E_tol求变分可得：

其中：

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明借鉴材料多尺度模拟中的能量耦合方法，发明了异构共融成形结构建模技术，该技术在不破坏交界区连续性的基础上，去除了传统有限元在交界区须有公有节点的要求，从而极大地简化了大型复杂风电结构的建模流程，同时异构共融成形建模技术亦实现了实体单元和结构单元的共融，这在确保大型复杂风电结构的高应力区精细分析的同时，也提升了全结构分析的计算效率，为大型复杂海工结构应力应变的精准预测与控制提供了重要手段。

附图说明：

图1为本发明中构件A与构件B装配示意图。

图2为本发明实施例中悬臂梁示意图。

图3为本发明实施例中装配模型示意图。

图4为本发明实施例中装配区单元示意图。

图5为本发明实施例中全结构精细建模、结构单元建模及异构共融成形建模计算结果。

图6为本发明实施例中全结构精细建模、结构单元建模及异构共融成形建模计算得到的中性轴竖向位移。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语指示方位或位置关系，如为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或单元必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿真方法，具体步骤包括，

S1、参照图1，考虑两类不同的构件A与构件B，分别占据空间Ω_A和Ω_B，构件A与构件B之间存在共有的装配区C，其所占据的空间为Ω_C＝Ω_A∩Ω_B，因此，构件A与构件B在建造过程中的能量表示为：

其中σ_A、σ_B与ε_A、ε_B表示构件的应力与应变张量，f_A、f_B与t_A、t_B表示构件所受的体积力和表面力，u_A、u_B则表示构件对应的位移；

S2、考虑到装配区C不同部件之间的位移及应变连续性，装配后系统的总能量表示为：

这里和/>为加权后的构件应变能，满足：

其中α_i与β_i为权重系数，满足α_A+α_B＝β_A+β_B＝1，C(λ,u_A,u_B)为附加的连续性约束，λ为对应的拉格朗日乘子，满足：

其中ε(λ)表示拉格朗日乘子场λ所对应的应变场，l是与尺寸相关的缩放参数；

S3、在有限元仿真过程中，构件A与构件B分别由Type A以及Type B两类单元进行离散，两类单元对应的插值函数为N_A和N_B，对于拉格朗日乘子场λ，亦使用有限元进行离散，其对应的插值函数为N_λ，离散的位移场与拉格朗日乘子场及对应应变场表示为：

u_A＝N_Aq_A；u_B＝N_Bq_B；λ＝N_λq_λ (6)

ε_A＝B_Aq_A；ε_B＝B_Bq_B；ε_λ＝B_λq_λ (7)

因此,经有限元离散的系统总能量表示为：

对系统总能量E_tol求变分可得：

其中：

步骤S3中，对于N_λ的选择，与单元节点数目较少的单元插值函数一致，如对于实体单元与梁单元装配，N_λ与梁单元的插值函数保持一致。

本发明借鉴材料多尺度模拟中的能量耦合方法，发明了异构共融成形结构建模技术，该技术在不破坏交界区连续性的基础上，去除了传统有限元在交界区须有公有节点的要求，从而极大地简化了大型复杂风电结构的建模流程，同时异构共融成形建模技术亦实现了实体单元和结构单元的共融，这在确保大型复杂风电结构的高应力区精细分析的同时，也提升了全结构分析的计算效率，为大型复杂海工结构应力应变的精准预测与控制提供了重要手段。

实施例

以梁单元与实体单元共融为例，展示异构共融成形建模技术的具体实施步骤及实际效果。

为求解图2所示的悬臂梁问题，大小为1的作用力加载在悬臂梁自由端的中心，其弹性模量E＝210GPa，泊松比υ＝0.3，使用实体单元对x＝[0,1.2]区域进行划分，表示为构件A；构件B处于x＝[0.9,6]使用梁单元表示，则装配区C为x＝[0.9,1.2]，图3给出了对应的有限元模型。

构件A使用8节点实体单元，而构件B则使用两节点的梁单元进行表示。图4给出了装配区的单元情况。此时，取N_λ等于N_B。对于构件B所使用的梁单元，其自由度为：

{u_x,u_y,u_z,θ_x,θ_y,θ_z} (13)

对于装配区内的任意一点(x_C,y_C,z_C)，有梁单元表示的位移：

其中

q_B＝{u_x ^B1,u_y ^B1,u_z ^B1,θ_x ^B1,θ_y ^B1,θ_z ^B1,u_x ^B2,u_y ^B2,u_z ^B2,θ_x ^B2,θ_y ^B2,θ_z ^B2}^T，N_uy ^B(x_C,y_C)＝-y_CN_v,x ^B(x_C)，N_uz ^B(x_C,z)＝-z_CN_w,z ^B(x_C)。

而对于实体单元，其位移为：

其中q_A＝{u_x ^A1,u_y ^A1,u_z ^A1,…,u_x ^A8,u_y ^A8,u_z ^A8}^T。将上述方程代入有：

这里b＝h＝0.6为梁的厚度与高度。

图5与图6，分别给出了该问题由全结构精细建模、结构单元建模及本发明所发明异构共融成形建模计算结果。可以看到，模型竖向位移计算精确，且相同位置的应力值与完全精细建模一致，表明本专利所发明的异构共融成形建模技术计算的精确性。

同时，下面表1给出全结构精细建模与异构共融成形建模对应的单元数，自由度数目以及计算时间，可以看到，异构共融成形建模极大地减少了计算自由度从而极大地提高了计算效率。

表1：全结构精细建模与异构共融成形建模对应的单元数，自由度数目以及计算时间

	全结构精细建模	异构共融成形建模
			单元数	180	56
节点数	1160	286
			自由度数	3480	884
CPU计算时间(秒)	0.6	0.3

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于异构共融成形建模技术的复杂风电基础装备结构仿真方法，其特征在于：具体步骤包括，

S1、考虑两类不同的构件A与构件B，分别占据空间Ω_A和Ω_B，构件A与构件B之间存在共有的装配区C，其所占据的空间为Ω_C＝Ω_A∩Ω_B，因此，构件A与构件B在建造过程中的能量表示为：

其中σ_A、σ_B与ε_A、ε_B表示构件的应力与应变张量，f_A、f_B与t_A、t_B表示构件所受的体积力和表面力，u_A、u_B则表示构件对应的位移；

S2、考虑到装配区C不同部件之间的位移及应变连续性，装配后系统的总能量表示为：

这里和/>为加权后的构件应变能，满足：

其中α_i与β_i为权重系数，满足α_A+α_B＝β_A+β_B＝1，C(λ,u_A,u_B)为附加的连续性约束，λ为对应的拉格朗日乘子，满足：

其中ε(λ)表示拉格朗日乘子场λ所对应的应变场，l是与尺寸相关的缩放参数；

S3、在有限元仿真过程中，构件A与构件B分别由Type A以及Type B两类单元进行离散，两类单元对应的插值函数为N_A和N_B，对于拉格朗日乘子场λ，亦使用有限元进行离散，其对应的插值函数为N_λ，离散的位移场与拉格朗日乘子场及对应应变场表示为：

u_A＝N_Aq_A； u_B＝N_Bq_B； λ＝N_λq_λ (6)

ε_A＝B_Aq_A； ε_B＝B_Bq_B； ε_λ＝B_λq_λ (7)

因此,经有限元离散的系统总能量表示为：

对系统总能量E_tol求变分可得：

其中：