CN117973157B - 复合筒基础与土体作用的模拟方法、存储介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海上风电技术领域，提供了一种复合筒基础与土体作用的模拟方法、存储介质及电子设备，模拟方法包括：使用四种弹簧模型来模拟土体与复合筒基础之间的相互作用；建立频域中的土体‑复合筒基础三维分析模型，通过复合筒基础和土体的相关物理力学参数，计算集中水平复弹簧、集中摇摆复弹簧、横向水平复弹簧和横向摇摆复弹簧的参数，再计算复合筒基础的阻抗函数；构建与频率无关的动力集总参数模型；计算构建动力集总参数模型所需要的相关参数；将动力集总参数模型嵌入有限元软件中，模拟海上风电复合筒基础‑土体动力相互作用。
Description
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，具体涉及一种复合筒基础与土体作用的模拟方法、存储介质及电子设备。
背景技术
我国大量海上风电项目紧邻东南沿海地震带和环太平洋地震带，地震活动频繁。复杂海域环境风电基础地震响应引起了风电领域科研和设计人员的广泛关注。地震荷载一般直接作用于基础周围的土体，如果单独分析上部结构的地震反应，而忽略基础-土体动力相互作用的影响，计算结果通常会出现显著偏差，特别是基础底部土体刚度相对于结构刚度较软的情况下，例如我国东南沿海地区。大量现场测试实验证明了，基础-土体动力相互作用在地震响应分析中的关键作用。
目前，海上风电基础-土体相互作用模拟方法主要分为两种，一种是直接将结构底部约束看作固定端，忽略基础-土体相互作用对于结构力学响应的影响，该方法常被结构工程师采用，这种方法虽然大大简化了实际工程问题，计算效率得到巨大飞跃，但忽视基础-土体相互作用，直接将结构底部固定，是对整个系统刚度的简单估算，使得计算结果的准确性大打折扣，尤其有较大可能高估风机的自振频率，这样的误差严重影响了正常的结构设计。另一种是三维实体建模方法，通过严格模拟整个海上风电支撑结构-地基基础系统考虑基础-土体相互作用，例如采用有限元软件Abaqus、SAP2000等，将支撑结构、基础及土体通过结构单元、实体单元及接触面单元进行模拟，并采用不同的本构模型对不同单元的应力-应变特征进行描述；或采用弹簧、阻尼等不同约束形式（如p-y弹簧法等）模拟基础-土体动力相互作用，从而得到更为符合实测的计算结果然，然而三维实体建模方法存在建模复杂，计算效率低下的问题，数量庞大的网格单元往往需要耗费几个小时甚至几天的时间进行计算，在进行大量模型计算及参数分析时存在较大的局限性，难以满足工程设计时的高效分析需求。
发明内容
有鉴于此，面对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题在于提供一种复合筒基础与土体作用的模拟方法、存储介质及电子设备，考虑基础-土体相互作用以保证计算结果的准确性，同时不需要建立复杂的三维实体模型，具有兼顾计算准确性及效率的优点。
为实现上述目的，本发明提供一种复合筒基础与土体作用的模拟方法，用于模拟海上复合筒基础与土体动力相互作用，包括以下步骤：
S1、使用四种弹簧模型来模拟土体与复合筒基础之间的相互作用，包括：沿复合筒基础埋深方向分布的横向水平复弹簧，用于描述水平位移与横向土反力的关系；沿复合筒基础埋深方向分布的横向摇摆复弹簧，用于描述转角与弯矩的关系；复合筒基础底部的集中水平复弹簧，用于描述水平位移与基础底部总水平剪力的关系；复合筒基础底部的集中摇摆复弹簧，用于描述转角与基础倾覆力矩的关系；
S2、建立频域中的土体-复合筒基础三维分析模型，计算复合筒基础的阻抗函数，包括：
S21、确定复合筒基础的相关物理力学参数：
S211、确定复合筒基础的基本物理力学参数，包括直径、高度、埋深、质量
、以及复合筒基础相对于质心的转动惯量，其中，直径、高度和埋深的单位为米，质
量的单位为千克；转动惯量的单位是千克·平方米；
S212、基于复合筒基础的基本物理力学参数，计算复合筒基础阻抗求解所需的其
他物理力学参数，包括：基础底面面积，单位为平方米；惯性矩，单位为米的四次方；基
础侧壁与土体的总接触面积，单位为平方米；基础平行于加载方向的侧壁与土体接触面
积，单位为平方米；垂直于加载方向的侧壁与土体的接触面积，单位为平方米；基础
所有表面在离平面旋转轴上实际剪切土体的极惯性矩总和，单位为米的四次方；基础所
有表面在平行于旋转轴的基轴上实际压缩土体的转动惯量的总和，单位为米的四次方；
垂直于加载方向的侧壁与土体的接触面积与复合筒基础中心轴的距离，单位为米；
S22、确定复合筒基础所在土体的相关物理力学参数：
S221、确定土体的基本物理力学参数，包括：压缩模量，单位为帕；土体密度，
单位为千克每立方米；泊松比，为无量纲；
S222、计算其他物理力学参数，包括：土体弹性模量，单位为帕；剪切模量，单
位为帕；剪切波速，单位为米/秒；Lysmer's analog速度，单位为米/秒；
S23、计算复合筒基础底部的集中水平复弹簧的参数和集中摇摆复弹簧的参数：
S231、参数计算：
，
，
，
，
其中，表示明置基础水平静刚度，单位为牛顿/米，表示明置基础水平动刚度
系数，表示虚数单元，表示圆频率，单位为rad/s，表示明置基础水平阻尼系数，同时
反映土体辐射阻尼及材料阻尼；表示明置基础水平辐射阻尼系数；表示滞回阻
尼，单位无量纲，选取范围0.03~0.06；
S232、参数计算：
，
，
，
，
，
，
，
其中，表示明置基础摇摆静刚度，单位为牛顿/米，表示明置基础摇摆动刚度
系数，表示圆频率的无量纲化形式，表示明置基础摇摆阻尼系数，同时反映土体辐
射阻尼及材料阻尼，表示明置基础摇摆辐射阻尼系数，表示辐射阻尼计算系数；
S24、计算复合筒基础侧壁分布的横向水平复弹簧的参数，以及横向摇摆复弹簧的参数/>：
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
其中，及分别为埋置基础的水平阻抗及摇摆阻抗，表示埋置基础水
平静刚度，表示明置基础水平静刚度，表示水平埋置系数，表示埋置基
础水平动刚度系数，表示埋置基础水平阻尼系数，表示埋置基础摇摆静刚度，
表示明置基础摇摆静刚度，表示摇摆埋置系数，表示埋置基础摇摆阻尼系数；、、和的单位为牛顿/米；、和为计算过程中的中间变量，
无具体物理含义；
S25、构建相对于复合筒基础底部的动力阻抗矩阵：
，
，
，
其中，表示基础刚度矩阵，表示基础质量矩阵；表示水平方向动力阻抗
函数，表示摇摆方向动力阻抗函数，=，都能够表示水平摇摆耦合动力阻抗函
数；
S26、通过坐标变换计算复合筒基础的顶部动力阻抗矩阵：
，
其中，表示水平动力阻抗，/>=/>，都能够表示水平-摇摆耦合动力阻抗，表示摇摆动力阻抗；
S3、构建与频率无关的动力集总参数模型，主要由三个弹簧、三个阻尼器、两个质
量块和一根刚性杆h串并联组成；三个弹簧包括水平弹簧、摇摆弹簧和水平-摇摆耦合弹簧，
其物理元件参数分别记为数、和，单位为牛顿/米；三个阻尼器包括水平阻尼、摇摆阻
尼和水平-摇摆耦合，其物理元件参数分别记为数、和，单位为牛顿·秒/米；两个质
量块包括集成在复合筒基础顶部的平移与转动质量、以及与刚性杆连接的底部质量，其物
理元件参数分别记为和，单位为千克；刚性杆的长度参数记为，单位为米；
S4、在复合筒基础的上部结构所关心的频率范围内，根据复合筒基础的顶部动力
阻抗矩阵，通过最小二乘法进行拟合，得到动力集总参数模型的水平方向动力阻抗、摇摆方向动力阻抗和水平-摇摆耦合动力阻抗；根据动力阻抗函数计
算公式：
，
，
，
得到物理元件参数、、、、、、和，从而构建完成动力集总参数模
型；
S5、将动力集总参数模型嵌入有限元软件中，模拟海上风电复合筒基础-土体动力相互作用。
进一步地，所述步骤S212中，计算方式包括：
，
，
，
，
，
，
，
。
进一步地，所述步骤S222中，计算方式包括：
，
，
，
，
其中，为经验系数。
进一步地，所述步骤S222中，取3.5。
进一步地，所述步骤S231中，。
进一步地，所述步骤S4中，复合筒基础的上部结构所关心的频率范围选择0~3Hz。
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，可进行读取，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述的复合筒基础与土体作用的模拟方法。
本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器，存储有一计算机程序；处理器，与所述存储器通信相连，调用所述计算机程序时执行上述的复合筒基础与土体作用的模拟方法。
如上所述，本发明涉及的模拟方法、存储介质及电子设备，具有以下有益效果：
通过构建集总参数模型，来代替原有土体及复合筒基础部分约束上部风机结构，一方面在构建集总参数模型的过程中考虑复合筒基础-土体相互作用以保证计算结果的准确性，另一方面不需要建立复杂的三维实体模型以保证计算效率，在两者之间建立平衡，具有兼顾计算准确性及效率的优点；此外，本发明提供的构建集总参数模型的模拟方法，可嵌入现行主流地震工程分析软件或海上风电动力分析软件如OpenSees以及OpenFAST中，应用性较好、适用范围较广、可推广性较强。
附图说明
图1为本发明的模拟方法的流程示意图。
图2为本发明中模拟土体与复合筒基础的相互作用的四种弹簧模型的示意图。
图3为本发明中构建的动力集总参数模型的示意图。
图4为采用本发明的模拟方法所得到的模拟结果的对比分析图。
附图标记说明：
1、复合筒基础；2、土体；3、横向水平复弹簧；4、横向摇摆复弹簧；5、集中水平复弹簧；6、集中摇摆复弹簧；7、水平弹簧；8、摇摆弹簧；9、水平-摇摆耦合弹簧；10、水平阻尼；11、摇摆阻尼；12、水平-摇摆耦合阻尼；13、平移与转动质量；14、底部质量；15、刚性杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参见图1至图4，本发明提供了一种复合筒基础与土体作用的模拟方法，用于模拟海上风电复合筒基础与土体动力相互作用，包括以下步骤：
S1、使用四种弹簧模型来模拟土体2与复合筒基础1之间的相互作用，参见图2，包括：沿复合筒基础1埋深方向分布的横向水平复弹簧3，用于描述水平位移与横向土反力的关系；沿复合筒基础1埋深方向分布的横向摇摆复弹簧4，用于描述转角与弯矩的关系；复合筒基础1底部的集中水平复弹簧5，用于描述水平位移与基础底部总水平剪力的关系；复合筒基础1底部的集中摇摆复弹簧6，用于描述转角与基础倾覆力矩的关系。采用弹簧模拟时，每个弹簧相应都有一个并联的阻尼器来考虑阻尼影响，“复弹簧”意指与阻尼器相结合的弹簧，可用复数描述其弹簧刚度。
S2、建立频域中的土体-复合筒基础三维分析模型，计算复合筒基础1的阻抗函数，包括：
S21、确定复合筒基础1的相关物理力学参数，包括：
S211、确定复合筒基础1的基本物理力学参数，包括直径、高度、埋深、质量、以及复合筒基础相对于质心的转动惯量，其中，直径、高度和埋深的单位为米，
质量的单位为千克；转动惯量的单位是千克·平方米。
S212、基于复合筒基础1的基本物理力学参数，计算复合筒基础1阻抗求解所需的
其他物理力学参数，包括：基础底面面积，单位为平方米；惯性矩，单位为米的四次方；
基础侧壁与土体的总接触面积，单位为平方米；基础平行于加载方向的侧壁与土体接触
面积，单位为平方米；垂直于加载方向的侧壁与土体的接触面积，单位为平方米；基
础所有表面在离平面旋转轴上实际剪切土体的极惯性矩总和，单位为米的四次方；基础
所有表面在平行于旋转轴的基轴上实际压缩土体的转动惯量的总和，单位为米的四次
方；垂直于加载方向的侧壁与土体的接触面积与复合筒基础中心轴的距离，单位为米；采
用的具体计算公式如下：
，
，
，
，
，
，
。
S22、确定复合筒基础1所在土体2的相关物理力学参数，包括：
S221、确定土体2的基本物理力学参数，包括：压缩模量，单位为帕；土体密度，
单位为千克每立方米；泊松比，为无量纲。
S222、计算其他物理力学参数，包括：土体弹性模量，单位为帕；剪切模量，单
位为帕；剪切波速，单位为米/秒； Lysmer's analog速度，单位为米/秒；具体地，基于
土体2的基本物理力学参数，通过以下公式进行计算：
，
，
，
，
其中，表示经验系数，可根据现有技术资料选择合适值，优选取为3.5，具体可参
考现有技术《基于多孔介质理论的地基土变形模量估算方法[J]》（梁发云，岩土力学,
2004, 25(7): 1147-1150）。
S23、计算复合筒基础1底部的集中水平复弹簧5的参数，以及集中摇摆复弹簧6
的参数，包括：
S231、参数计算：
，
，
，
，
其中，表示明置基础水平静刚度，单位为牛顿/米，根据已经研究成果，对于复
合筒基础1，可采用明置基础阻抗代替复合筒基础1底部的复弹簧刚度；表示明置基础水
平动刚度系数，具体可取，可参见现有文献《桩箱基础的动力分析与离心振动台试验
[D]，钟锐，上海，同济大学，2013》；表示虚数单元； 表示圆频率，单位为rad/s，
，表示频率，单位赫兹，可根据实际情况进行设定，具体地，可通过定义样本点个数N及时
间间隔t来构建，该构建方法为现有的，不再详述；表示明置基
础水平阻尼系数，同时反映土体辐射阻尼及材料阻尼；表示明置基础水平辐射阻尼
系数；表示滞回阻尼（也即材料阻尼），为无量纲，与频率无关，选取范围0.03~0.06，具体
可根据实际情况选择合适值，参考现有文件《Horizontal damping of arbitrarily
shaped embedded foundations[J] 》（Gazetas G, Tassoulas JL，J Geotech Eng ASCE
1987, 113(5): 458-475）。
S232、参数计算：
，
，
，
，
，
，
，
其中，表示明置基础摇摆静刚度，单位为牛顿/米，表示明置基础摇摆动刚度
系数，表示圆频率的无量纲化形式，表示明置基础摇摆阻尼系数，同时反映土体辐
射阻尼及材料阻尼，表示明置基础摇摆辐射阻尼系数，表示辐射阻尼计算系数。
根据计算公式可知，参数和参数都由实数部分和虚数部分组成，实数部分的单位为
牛顿/米。
S24、计算复合筒基础1侧壁分布的横向水平复弹簧3的参数、以及横向摇摆复弹簧4的参数/>：
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
其中，和分别为埋置基础的水平阻抗及摇摆阻抗，由公式可知，和都由实数部分和虚数部分组成，实数部分的单位为牛顿/米，表示埋置基础水平
静刚度，表示明置基础水平静刚度，表示水平埋置系数，表示埋置基础
水平动刚度系数（对应上述的明置基础水平动刚度系数），表示埋置基础水平阻
尼系数，表示埋置基础摇摆静刚度，表示明置基础摇摆静刚度，表示摇摆埋
置系数，表示埋置基础摇摆阻尼系数，、、和的单位为牛顿/米；、和为计算过程中的中间变量，无具体物理含义。表示
埋置基础摇摆动刚度系数（对应上述的明置基础摇摆动刚度系数）。水平埋置
系数和摇摆埋置系数，可参考现有文献参考现有文件《Horizontal damping
of arbitrarily shaped embedded foundations[J] 》（Gazetas G, Tassoulas JL，J
Geotech Eng ASCE 1987, 113(5): 458-475）和《桩箱基础的动力分析与离心振动台试验
[D] 》（钟锐，上海，同济大学，2013）。通过上述公式计算得到参数和参数，和参数
都由实数部分和虚数部分两部分组成，实数部分的单位为牛顿/米。
S25、构建相对于复合筒基础底部的动力阻抗矩阵：
，
，
，
其中， 表示基础刚度矩阵，表示基础质量矩阵；表示水平方向动力阻
抗函数，表示摇摆方向动力阻抗函数，=，都能够表示水平摇摆耦合动力阻抗函
数，具体地，和的下标表示不同的方向，的下标表示水平-摇摆耦合方向，的
下标表示摇摆-水平耦合方向，由于本发明针对圆形复合筒基础，横截面轴对称，因此=，两者都能够表示水平摇摆耦合动力阻抗函数。根据计算公式可知，、、和也都由实数部分和虚数部分两部分组成，实数部分的单位为牛顿/米。
S26、通过坐标变换计算复合筒基础的顶部动力阻抗矩阵：
，
其中，表示水平动力阻抗；/>=/>，都能够表示水平-摇摆耦合动力阻抗，具体地，/>和/>的下标表示不同的方向，/>的下标表示水平-摇摆耦合方向，/>的下标表示摇摆-水平耦合方向，由于本发明针对圆形复合筒基础，其横截面轴对称，因此=/>，两者都能够表示水平摇摆耦合动力阻抗函数；/>表示摇摆动力阻抗。由上述计算公式可知，/>、/>、/>和/>都由实数部分和虚数部分组成，实数部分的单位为牛顿/米。
S3、构建与频率无关的动力集总参数模型，参见图3，主要由三个弹簧、三个阻尼
器、两个质量块和一根刚性杆15串并联组成；三个弹簧包括水平弹簧7（物理元件参数记为）、摇摆弹簧8（物理元件参数记为）和水平-摇摆耦合弹簧9（物理元件参数记为），、和的单位都为牛顿/米；三个阻尼器包括水平阻尼10（物理元件参数记为）、摇摆阻尼
11（物理元件参数记为）和水平-摇摆耦合阻尼12（物理元件参数记为），、和的单
位都为牛顿·秒/米；两个质量块包括集成在复合筒基础1顶部的平移与转动质量13（物理
元件参数记为）、以及与刚性杆15连接的底部质量14（物理元件参数记为），和
的单位都为千克；刚性杆的长度参数记为，单位为米。动力集总参数模型的构建方式为现
有的，具体采用现有技术《Soil-structure interaction in the seismic response of
an isolated three span motorway overcrossing founded on piles[J] 》（Dezi F,
Carbonari S, Tombari A, et al. Soil Dynamics and Earthquake Engineering,
2012, 41: 151-163）实现。
在本发明中，由于主要关注水平方向地震作用，所以不考虑竖向弹簧阻尼的搭建，且复合筒基础1的x-z平面及y-z平面对称，故而仅针对基础的x-z平面构建动力集总参数模型，参见图3所示。
S4、在复合筒基础1的上部结构所关心的特定频率范围内（例如考虑到不同地震波
的卓越频率特性，特定频率范围可选择0~3Hz），根据复合筒基础1的顶部动力阻抗矩阵，
通过最小二乘法进行拟合，得到动力集总参数模型的水平方向动力阻抗、摇摆方向
动力阻抗和水平-摇摆耦合动力阻抗；根据以下动力阻抗函数计算公式：
，
，
，
得到物理元件参数、、、、、、和。而刚性杆15的长度参数，可采
用现有方式，基于经验性表格进行，从而得到构建动力集总参数模型所需要的相关参数。
在本发明中，通过最小二乘法进行拟合的具体方法为常规方法，基于上述已求得
的复合筒基础1的顶部动力阻抗矩阵，其中水平动力阻抗函数为已知函数，动力集总
参数模型的水平动力阻抗函数表示的为的最小二乘拟合函数，、和则为待定参数，相应地，顶部动力阻抗矩阵中的摇摆动力阻抗函数为已知函数，摇摆动力阻抗函数为其对应的最小二乘拟合函数，和为待定参数；顶部动力阻抗矩阵中的水平摇摆动力阻抗函数和为已
知函数，动力集总参数模型的水平摇摆动力阻抗函数为其对应的最小二乘拟合函
数，、和为待定参数，通过上述的动力阻抗函数计算公式，可计算得到三个
弹簧、三个阻尼器、两个质量块和刚性杆的物理元件参数、、、、、、和，且
这些物理元件参数与频率无关。
S5、将动力集总参数模型嵌入有限元软件中，模拟海上风电复合筒基础-土体动力相互作用。
以某海上风电场复合筒基础1为例，对本发明做进一步说明：
该复合筒基础1参数如下：直径36 m、高12 m、埋深12 m、基础质量2.47E+07 kg、转动惯量6.51E+08 kg·m2。基础周围土体2参数如下：类别为粘性土、厚度12 m、密度1.87E+03 kg/m3、压缩模量3.83E+06Pa、泊松比0.4。
步骤S1中，使用四弹簧模型来模拟土体2与复合筒基础1之间的相互作用，如图2所示。
步骤S2中，建立土体-复合筒基础的三维分析模型，计算复合筒基础1的阻抗函数：
在步骤S21中，根据风机基础设计图纸获得基础尺寸等基本物理力学参数，参见表1。
表1 复合筒形基础的尺寸及物理力学参数
然后，基于步骤 S21中的相关计算公式，计算后续基础阻抗求解所需的其他物理
参数，包括、、、、、、和。
在步骤S22中，根据地勘资料获得土体2的基本物理力学参数，参见表2。
表2 风机所在土体物理力学参数
然后利用步骤 S22中的相关计算公式，计算后续基础阻抗求解所需的其他物理参
数，包括、、和。
然后通过步骤S23~ S26的相关计算，得到复合筒基础1关于其顶面中心的阻抗矩
阵。
然后通过步骤S3，构建好与频率无关的动力集总参数模型，通过步骤S4，计算搭建
动力集总参数模型所需的相关物理元件参数物理元件参数、、、、、、和，
参见表3所示；而刚性杆15的长度参数可基于经验性表格进行选取，参见表4所示，其中，表示复合筒基础与土体的相对刚度比，即为复合筒基础的弹性模量与土体的剪切
模量的比值，复合筒基础的弹性模量与其材料有关，其确定方法为已知的，可直接查阅基
础图纸获得。
表3风机基础动力集总参数模型物理元件参数
表4 刚性杆长度经验取值
参见图4，图中LPMs意思为动力集总参数模型，DWFM-Re表示的是计算得到的动力阻抗函数实部，DWFM-Im表示的是计算得到的动力阻抗函数虚部，LPM-Re表示的是通过最小二乘法拟合得到的动力阻抗函数实部，LPM-Im表示的是通过最小二乘法拟合得到的动力阻抗函数虚部。从图中可以看到动力集总参数拟合结果与动力阻抗计算结果相一致，表明动力集总参数在所选定的频率范围内可以很好的描述复合筒型基础-土体系统的动力特性。
将上述拟合得到的动力集总参数模型嵌入OpenSees有限元软件中，具体操作可以采用现有方式，例如，基于OpenSees自有的弹簧、阻尼模型在泥面处搭建动力集总参数模型，采用uniaxialMaterial Elastic建立单轴弹性材料（三个弹簧：水平弹簧、摇摆弹簧和水平-摇摆耦合弹簧）；采用uniaxialMaterial Viscous建立单轴粘性材料（三个阻尼：水平阻尼、摇摆阻尼和水平-摇摆耦合）；采用mass命令搭建两个质量块（平移与转动质量和底部质量）。其后，采用uniaxialMaterial Parallel在刚性杆15顶部及底部搭建两个由弹簧、阻尼及质量块连接形成的Parallel，两者由刚性杆15（rigidLink beam）连接，模拟海上风电复合筒基础1-土体2动力相互作用。
由上可知，本发明的复合筒基础1与土体2作用的模拟方法，具有以下有益效果：
通过构建集总参数模型，来代替原有土体2及复合筒基础1部分约束上部风机结构，一方面在构建集总参数模型的过程中考虑复合筒基础-土体相互作用以保证计算结果的准确性，另一方面不需要建立复杂的三维实体模型以保证计算效率，在两者之间建立平衡，具有兼顾计算准确性及效率的优点；此外，本发明提供的构建集总参数模型的模拟方法，可嵌入现行主流地震工程分析软件或海上风电动力分析软件如OpenSees以及OpenFAST中，应用性较好、适用范围较广、可推广性较强。
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，可使用计算机进行读取，该计算机程序被处理器执行时实现上述的复合筒基础与土体作用的模拟方法。本申请实施例中，可以采用一个或多个存储介质的任意组合。存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
本发明还提供一种电子设备，电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有一计算机程序，存储器可以为ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。处理器与存储器通信相连，调用计算机程序时执行上述的复合筒基础与土体作用的模拟方法。电子设备可以为手机、平板电脑、可穿戴设备、车载设备、增强现实(AugmentedReality，AR)/虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备、笔记本电脑、超级移动个人计算机(Ultra-Mobile Personal Computer，UMPC)、上网本、个人数字助理(Personal DigitalAssistant，PDA)等终端设备。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种复合筒基础与土体作用的模拟方法，用于模拟海上风电复合筒基础与土体动力相互作用，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用四种弹簧模型来模拟土体与复合筒基础之间的相互作用，包括：沿复合筒基础埋深方向分布的横向水平复弹簧，用于描述水平位移与横向土反力的关系；沿复合筒基础埋深方向分布的横向摇摆复弹簧，用于描述转角与弯矩的关系；复合筒基础底部的集中水平复弹簧，用于描述水平位移与基础底部总水平剪力的关系；复合筒基础底部的集中摇摆复弹簧，用于描述转角与基础倾覆力矩的关系；
S2、建立频域中的土体-复合筒基础三维分析模型，计算复合筒基础的阻抗函数，包括：
S21、确定复合筒基础的相关物理力学参数：
S211、确定复合筒基础的基本物理力学参数，包括直径、高度/>、埋深/>、质量/>、以及复合筒基础相对于质心的转动惯量/>，其中，直径/>、高度/>和埋深/>的单位为米，质量的单位为千克；转动惯量/>的单位是千克·平方米；
S212、基于复合筒基础的基本物理力学参数，计算复合筒基础阻抗求解所需的其他物理力学参数，包括：基础底面面积，单位为平方米；惯性矩/>，单位为米的四次方；基础侧壁与土体的总接触面积/>，单位为平方米；基础平行于加载方向的侧壁与土体接触面积，单位为平方米；垂直于加载方向的侧壁与土体的接触面积/>，单位为平方米；基础所有表面在离平面旋转轴上实际剪切土体的极惯性矩总和/>，单位为米的四次方；基础所有表面在平行于旋转轴的基轴上实际压缩土体的转动惯量的总和/>，单位为米的四次方；垂直于加载方向的侧壁与土体的接触面积与复合筒基础中心轴的距离/>，单位为米；
S22、确定复合筒基础所在土体的相关物理力学参数：
S221、确定土体的基本物理力学参数，包括：压缩模量，单位为帕；土体密度/>，单位为千克/立方米；泊松比/>，为无量纲；
S222、计算其他物理力学参数，包括：土体弹性模量，单位为帕；剪切模量/>，单位为帕；剪切波速/>，单位为米/秒；Lysmer's analog速度/>，单位为米/秒；
S23、计算复合筒基础底部的集中水平复弹簧的参数和集中摇摆复弹簧的参数/>：
S231、参数计算：/>，/>，，/>，其中，/>表示明置基础水平静刚度，单位为牛顿/米，/>表示明置基础水平动刚度系数，/>表示虚数单元，/>表示圆频率，单位为rad/s，/>表示明置基础水平阻尼系数，同时反映土体辐射阻尼及材料阻尼；/>表示明置基础水平辐射阻尼系数；/>表示滞回阻尼，单位无量纲，选取范围0.03~0.06；
S232、参数计算：/>，/>，/>，/>，，/>，/>，其中，/>表示明置基础摇摆静刚度，单位为牛顿/米，/>表示明置基础摇摆动刚度系数，/>表示圆频率/>的无量纲化形式，/>表示明置基础摇摆阻尼系数，同时反映土体辐射阻尼及材料阻尼，/>表示明置基础摇摆辐射阻尼系数，/>表示辐射阻尼计算系数；
S24、计算复合筒基础侧壁分布的横向水平复弹簧的参数，以及横向摇摆复弹簧的参数/>：
，/>， /> ，， />，，，/>，/>，，/>，，/>，，其中，/>及/>分别为埋置基础的水平阻抗及摇摆阻抗，/>表示埋置基础水平静刚度，/>表示明置基础水平静刚度，/>表示水平埋置系数，/>表示埋置基础水平动刚度系数，/>表示埋置基础水平阻尼系数，/>表示埋置基础摇摆静刚度，/>表示明置基础摇摆静刚度，/>表示摇摆埋置系数，/>表示埋置基础摇摆阻尼系数，/>、/>、/>和/>的单位为牛顿/米；/>、/>和/>为计算过程中的中间变量，无具体物理含义；
S25、构建相对于复合筒基础底部的动力阻抗矩阵：
，/>，，其中，/>表示基础刚度矩阵，/>表示基础质量矩阵；/>表示水平方向动力阻抗函数，/>表示摇摆方向动力阻抗函数，/>=/>，都能够表示水平摇摆耦合动力阻抗函数；
S26、通过坐标变换计算复合筒基础的顶部动力阻抗矩阵：
，其中，/>表示水平动力阻抗，/>=/>，都能够表示水平-摇摆耦合动力阻抗，/>表示摇摆动力阻抗；
S3、构建与频率无关的动力集总参数模型，主要由三个弹簧、三个阻尼器、两个质量块和一根刚性杆串并联组成；三个弹簧包括水平弹簧、摇摆弹簧和水平-摇摆耦合弹簧，其物理元件参数分别记为、/>和/>，单位为牛顿/米；三个阻尼器包括水平阻尼、摇摆阻尼和水平-摇摆耦合，其物理元件参数分别记为/>、/>和/>，单位为牛顿·秒/米；两个质量块包括集成在复合筒基础顶部的平移与转动质量、以及与刚性杆连接的底部质量，其物理元件参数分别记为/>和/>，单位为千克；刚性杆的长度参数记为/>，单位为米；
S4、在复合筒基础的上部结构所关心的频率范围内，根据复合筒基础的顶部动力阻抗矩阵，通过最小二乘法进行拟合，得到动力集总参数模型的水平方向动力阻抗/>、摇摆方向动力阻抗/>和水平-摇摆耦合动力阻抗/>；根据动力阻抗函数计算公式，/>，，得到物理元件参数/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>，从而构建完成动力集总参数模型；
S5、将动力集总参数模型嵌入有限元软件中，模拟海上风电复合筒基础-土体动力相互作用。
2.根据权利要求1所述的复合筒基础与土体作用的模拟方法，其特征在于：所述步骤S212中，计算方式包括：，/>，/>，/>，，/>，/>，。
3.根据权利要求1所述的复合筒基础与土体作用的模拟方法，其特征在于：所述步骤S222中，计算方式包括：，/>，/>，/>，其中，/>为经验系数。
4.根据权利要求3所述的复合筒基础与土体作用的模拟方法，其特征在于：所述步骤S222中，取3.5。
5.根据权利要求1所述的复合筒基础与土体作用的模拟方法，其特征在于：所述步骤S231中，。
6.根据权利要求1所述的复合筒基础与土体作用的模拟方法，其特征在于：所述步骤S4中，复合筒基础的上部结构所关心的频率范围选择0~3Hz。
7.一种存储介质，其上存储有计算机程序，可进行读取，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的复合筒基础与土体作用的模拟方法。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
存储器，存储有一计算机程序；
处理器，与所述存储器通信相连，调用所述计算机程序时执行权利要求1至6中任一项所述的复合筒基础与土体作用的模拟方法。
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| Title |
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