一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，属于先进制造与自动化技术领域，通过构建沉桩过程的有限元模型，创新性地将土体在沉桩过程中的效果简化为一侧阻力，大大简化了沉桩过程的有限元模型，可以对复杂的沉桩过程作到快速建模，突破了以往有限元仿真模型需要针对特定模型针对性建模的缺点，利用有限元模型对不同的施工工况进行建模分析，实现对不同施工工况下的沉桩过程的动力学仿真，大大减少了沉桩过程施工前的分析时间，并借助有限元计算结果来判断是否可以安全沉桩，并能以仿真结果作为参考，优化施工过程，提高沉桩过程的安全性、效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法


[0001]本专利技术涉及先进制造与自动化
，更具体地说，涉及一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法。

技术介绍

[0002]海上风机是利用风能源的一种重要装备，而针对海上风机的安装与施工，采用管桩作为海上风机的承载件是一种目前被广泛应用的形式。但随着近些年来近海海域的不断开发，海上风机的安装已经面向深远海，海上风机的单机容量也在不断加大。而深远海区域的复杂施工工况对风机的安装提出了更高的要求，这就需要在安装风机前进行相关的调研与分析，判断沉桩施工的可行性与优化施工过程，这样才能保证高质量、高精度、高效率并且安全的完成海上风机的安装。
[0003]而采用有限元仿真的方法来进行沉桩过程模拟是非常经济且高效的，但考虑到实际沉桩过程的复杂性：沉桩施工的锤击能量大小、施工采用的桩规格大小、沉桩的深度和不同的施工环境。如果针对不同的施工工况都必须单独对其进行有限元建模并仿真，则会耗费大量的时间与金钱。因此，专利技术一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法可以指导不同施工环境下的沉桩施工并给出相关的工程参数仿真结果作为施工人员的参考。对保证高质量、高精度、高效率并且安全的完成海上风机的安装具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0004]1.要解决的技术问题
[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，它通过构建沉桩过程的有限元模型，创新性地将土体在沉桩过程中的效果简化为一侧阻力，大大简化了沉桩过程的有限元模型，可以对复杂的沉桩过程作到快速建模，突破了以往有限元仿真模型需要针对特定模型针对性建模的缺点，利用有限元模型对不同的施工工况进行建模分析，实现对不同施工工况下的沉桩过程的动力学仿真，大大减少了沉桩过程施工前的分析时间，并借助有限元计算结果来判断是否可以安全沉桩，并能以仿真结果作为参考，优化施工过程，提高沉桩过程的安全性、效率。
[0006]2.技术方案
[0007]为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案。
[0008]一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，包括以下步骤：
[0009]S1、构建沉桩过程物理模型：对沉桩过程进行结构分析、功能分析和运动特性分析，构建包括锤芯、替打、替打环、桩和土体五部分在内的沉桩过程物理模型，设置模型动力学计算所需的以下边界条件：输入能量、装配关系、摩擦系数和土体阻力；
[0010]S2、简化三维模型：基于沉桩过程物理模型，结合典型沉桩过程的动力学响应，确定沉桩过程的动力学响应核心参数：替打、替打环和桩的位移与应力，再通过功能分析，确定沉桩过程中各部件的功能，最终得到沉桩过程中各部件的简化三维模型；
[0011]S3、构建沉桩过程有限元模型：将上述简化三维模型导入有限元仿真软件中；
[0012]S4、在有限元仿真软件中对三维模型进行有限元分析，包括以下操作：一、沉桩过程中各部件基本的材料属性设置，二、各部件装配关系设置，三、部件网格划分，四、沉桩过程边界条件的确定，五、最终输出参数的选择；
[0013]S5、根据不同的沉桩施工工况更新有限元设置，并利用有限元模型辅助沉桩过程。
[0014]进一步的，在步骤S1的构建沉桩过程物理模型中，通过功能与特征分析，最终将实际沉桩过程中的系统简化为液压锤、替打、替打环、桩和土体。
[0015]进一步的，在步骤S4中，所述沉桩过程中各部件基本的材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、刚度、接触的相关摩擦系数和阻尼。
[0016]进一步的，在步骤S4中，所述各部件装配关系设置均采用同心装配，且对摩擦系数的处理为：法向摩擦系数为0，切向摩擦系数为0.15。
[0017]进一步的，在步骤S4中，所述最终输出参数包括各部件位移x、各部件速度v和各部件单元的应力σ。
[0018]进一步的，在步骤S4中，所述沉桩过程边界条件的确定包括根据实际的液压锤能量输入来确定有限元模型的能量输入以及土体阻力的确定，具体如下：
[0019]将实际液压锤系统输入的能量通过计算公式将液压系统输入能量转化为液压锤的初速度v，作为有限元模型的一个边界条件，其中：E为液压系统给锤芯的总能量，m为锤芯的质量；
[0020]将土体在沉桩过程模型中的效果简化为一侧阻力Q
uk
。
[0021]进一步的，所述Q
uk
的计算公式为Q
uk
＝Q
sk
+Q
pk
＝u∑q
sik
l
i
+q
pk
A
p
，其中：Q
uk
为最终体现在有限元模型中的阻力，u为桩身周长，q
sik
为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，l
i
为桩周第i层土的厚度，q
pk
为极限端阻力标准值，A
p
为桩端面积。
[0022]进一步的，在步骤S5中，所述不同的沉桩施工工况包括沉桩施工的锤击能量大小，施工采用的替打、替打环和桩的规格大小，以及施工环境的不同。
[0023]进一步的，在步骤S5中，所述沉桩施工的锤击能量大小变化在有限元模型中通过来进行换算，即：根据不同的液压锤系统的输入能量E和锤芯质量m来确定有限元仿真中的锤芯初速度，实现在有限元模型中体现不同的沉桩施工的锤击能量大小。
[0024]进一步的，在步骤S5中，当考虑极限情况下沉桩施工的安全性时，可考虑土体为完全不可压缩情况，将桩底部设置为固定约束并用有限元模型求解其应力数值，比较应力值与桩体材料屈服强度之比，判断是否超过材料屈服强度，如果应力超过屈服强度则降低输入能量继续求解，直至应力低于屈服强度，并最终输出安全的沉桩输入能量值。
[0025]3.有益效果
[0026]相比于现有技术，本专利技术的优点在于：
[0027](1)本方案构建了沉桩过程的有限元模型，创新性地将土体在沉桩过程中的效果简化为一侧阻力，大大简化了沉桩过程的有限元模型，可以对复杂的沉桩过程作到快速建模。
[0028](2)本方案突破了以往有限元仿真模型需要针对特定模型针对性建模的缺点，通
过第一点的土体简化，利用本专利技术的有限元模型对不同的施工工况进行建模分析，包括：针对不同的输入能量进行有限元仿真，针对不同的土体参数进行有限元仿真。
[0029](3)本方案通过对实际沉桩施工工况的快速有限元仿真，并通过动力学响应输出沉桩过程中桩体的应力响应情况以及位移情况，其中的最大应力与最大位移可以作为判断沉桩是否安全的标准，在实际施工中可以根据有限元计算结果来判断是否可以安全沉桩，并能以仿真结果作为参考，优化施工过程，提高沉桩过程的安全性、效率。
附图说明
[0030]图1为本专利技术的流程图；
[0031]图2为本专利技术的三维模型图；
[0032]图3为本专利技术的有限元仿真设置流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、构建沉桩过程物理模型：对沉桩过程进行结构分析、功能分析和运动特性分析，构建包括锤芯、替打、替打环、桩和土体五部分在内的沉桩过程物理模型，设置模型动力学计算所需的以下边界条件：输入能量、装配关系、摩擦系数和土体阻力；S2、简化三维模型：基于沉桩过程物理模型，结合典型沉桩过程的动力学响应，确定沉桩过程的动力学响应核心参数：替打、替打环和桩的位移与应力，再通过功能分析，确定沉桩过程中各部件的功能，最终得到沉桩过程中各部件的简化三维模型；S3、构建沉桩过程有限元模型：将上述简化三维模型导入有限元仿真软件中；S4、在有限元仿真软件中对三维模型进行有限元分析，包括以下操作：一、沉桩过程中各部件基本的材料属性设置，二、各部件装配关系设置，三、部件网格划分，四、沉桩过程边界条件的确定，五、最终输出参数的选择；S5、根据不同的沉桩施工工况更新有限元设置，并利用有限元模型辅助沉桩过程。2.根据权利要求1所述的一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，其特征在于：在步骤S1的构建沉桩过程物理模型中，通过功能与特征分析，最终将实际沉桩过程中的系统简化为液压锤、替打、替打环、桩和土体。3.根据权利要求1所述的一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，其特征在于：在步骤S4中，所述沉桩过程中各部件基本的材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、刚度、接触的相关摩擦系数和阻尼。4.根据权利要求1所述的一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，其特征在于：在步骤S4中，所述各部件装配关系设置均采用同心装配，且对摩擦系数的处理为：法向摩擦系数为0，切向摩擦系数为0.15。5.根据权利要求1所述的一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，其特征在于：在步骤S4中，所述最终输出参数包括各部件位移x、各部件速度v和各部件单元的应力σ。6.根据权利要求1所述的一种海上风电基础沉桩施工参数的建模方法，其特征在于：在步骤S4中，所述沉桩过程边界条件的确定包括根据实际的液压锤能量输入来确定有限元模型的能量输入以及土体阻力的确定，具体如下：将实际液...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯小星，王荣华，施惠庆，梅卫东，马加梁，季鹏，
申请(专利权)人：江苏龙源振华海洋工程有限公司，
类型：发明
国别省市：