一种海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化多弹簧计算方法及系统技术方案

一种海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化多弹簧计算方法及系统，属于海上风机数值仿真计算技术领域。该方法建立了吸力桶结构

【技术实现步骤摘要】
一种海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化多弹簧计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种适用于海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算方法及系统，属于海上风机数值仿真计算


技术介绍

[0002]随着绿色能源的发展，可持续能源在全球能源消费中占有相当大的比重。目前，海上风能发展迅速，出现了多种基础型式，如重力式、单桩、吸力沉箱、导管架基础、浮式基础等。与其他基础相比，吸力桶在安装方面和回收利用方面具有很大的优势，成为海上风机的流行基础形式。在使用过程中，海上风机主要受重力和环境载荷(风、浪、流)的影响，会在基础顶部产生垂直、横向载荷和倾覆力矩。
[0003]目前，已有的海上风机吸力桶基础的弹簧模型计算方案基本仅使用一组弹簧模拟组合载荷下的土
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结构相互作用，无法处理以下问题：吸力桶周围的土应力分布不均匀；吸力桶周围土的法向刚度在破坏时不相等；吸力桶盖下土壤产生的抗倾覆力矩无法准确量化。这些问题使准确分析风、浪、流联合荷载下的吸力桶结构动态响应存在困难，因此，准确还原吸力桶结构周围应力场成为亟待解决的问题。
[0004]本专利技术提出了一种多弹簧计算方法来解决上述问题：将p
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y和t
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z弹簧分为多组用于模拟沉箱周围不均匀的土壤应力场；考虑每组p
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y和t
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z弹簧之间的耦合效应，以反映沉箱外土体刚度的不相等；根据沉箱盖下的土壤应力状态修正Q
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z弹簧的作用位置，计算其抗倾覆贡献。并将上述分析方法开发至MATLAB，通过耦合COMSOL中海上风机吸力桶基础模型，实现整体结构累积变形和固有频率的演化分析。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提出一种海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算方法及系统，所提出的吸力桶
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土相互作用多弹簧分析方案，可以实现风、浪、流等复杂环境荷载下海上风机
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吸力桶基础整体结构的变形和频率演化计算。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算方法，包括以下步骤：
[0008]在有限元分析软件中建立海上风机吸力桶基础的整体模型，然后输入环境荷载，结合输入的吸力桶结构
‑
土相互作用力，计算吸力桶结构的位移数据；
[0009]搭建吸力桶结构
‑
土相互作用的多弹簧模型，结合有限元分析软件传递的位移数据求解出吸力桶结构
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土界面的相互作用力；
[0010]根据荷载
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时程关系更新环境荷载信息，重复上述两步进行数据迭代，实现多时程下的荷载
‑
位移
‑
土抗力计算；
[0011]基于所获得的位移数据进行海上吸力式桶型基础累计变形分析，基于所获得的刚
度数据进行海上吸力式桶型基础频率演化计算。
[0012]上述技术方案中，所述建立海上风机吸力桶基础的整体模型包括：将上部叶片
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机舱简化为质量点作用于风机塔筒顶部；塔筒、吸力桶主导管、吸力桶结构按照Euler
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Bernoulli梁单元理论搭建有限元分析模型。
[0013]所述搭建吸力桶结构
‑
土相互作用的多弹簧模型包括：
[0014]采用阻力
‑
位移弹簧描述吸力桶结构
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土相互作用，并分解为p
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y弹簧、t
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z弹簧、Q
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z弹簧三部分，分别用于求解吸力桶结构水平土应力、侧壁摩擦阻力、桶盖下土阻力；
[0015]根据等能量法则对所构建的p
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y弹簧进行分解，使其沿桶周均匀分布用于描述吸力桶结构在风、浪、流联合荷载下的不均匀水平应力场；
[0016]对分解后的p
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y弹簧搭配相对应的t
‑
z弹簧，并将各p
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y弹簧求解出的水平土抗力结果输入到对应t
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z弹簧计算中，用于还原联合荷载下吸力桶结构周围土体的非等刚度模式；
[0017]根据桶盖下土抗力分布实时修正Q
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z弹簧作用位置，用于求解联合荷载作用下桶盖下土阻力对于吸力桶结构的抗倾覆弯矩贡献。
[0018]进一步地，提取吸力桶结构的水平、竖向、转动位移数据，开展海上吸力式桶型基础累计变形分析。
[0019]进一步地，在有限元分析软件中搭建不包含下部吸力桶基础的海上风机整机模型，提取多弹簧模型计算得到的吸力桶头水平、竖向、转动三个方向的刚度数据，并将其输入到整机模型的塔筒底部，开展海上吸力式桶型基础频率演化计算。
[0020]进一步地，所述的有限元分析软件采用COMSOL，采用MATLAB搭建多弹簧模型，并建立MATLAB与COMSOL模块进行数据交互的接口，负责接收、分配COMSOL中计算出的位移数据，并将自身求解出的力数据传输至COMSOL中。
[0021]应用如上所述方法的海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算系统，包括：
[0022]海上风机
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吸力桶结构耦合模块，用于根据海上风机所受环境荷载信息以及吸力桶结构所承担的土抗力，计算位移数据；
[0023]吸力桶结构
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土相互作用模块，用于通过多弹簧模型结合位移数据计算吸力桶结构
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土界面的相互作用力；
[0024]数据传输迭代模块，用于实现海上风机
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吸力桶结构耦合模块、吸力桶结构
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土相互作用模块间位移数据以及相互作用力数据的交互，以实现迭代；
[0025]累计变形分析及频率演化计算模块，用于提取海上风机
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吸力桶结构耦合模块计算出的吸力桶结构水平、竖向、转动位移数据，开展海上吸力式桶型基础累计变形分析，提取吸力桶结构
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土相互作用模块计算得到的吸力桶头水平、竖向、转动三个方向的刚度数据，结合不包含下部吸力桶基础的海上风机整机模型，开展海上吸力式桶型基础频率演化计算。
[0026]根据本专利技术的一种具体实例，本专利技术所提出的一种适用于海上风机桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算方法，为海上风机
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吸力桶基础
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土整体耦合计算方法，可以包括以下步骤：
[0027]a.利用MATLAB编程，建立与COMSOL模块进行数据交互的接口，负责接收、分配
COMSOL模块中计算出的吸力桶基础的位移数据，然后在MATLAB模块中根据位移数据求解出结构
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土相互作用力，并传输至COMSOL模块；
[0028]b.利用Euler
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Bernoulli理论，在COMSOL中建立海上风机吸力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算方法，其特征在于，包括以下步骤：在有限元分析软件中建立海上风机吸力桶基础的整体模型，然后输入环境荷载，结合输入的吸力桶结构
‑
土相互作用力，计算吸力桶结构的位移数据；搭建吸力桶结构
‑
土相互作用的多弹簧模型，结合有限元分析软件传递的位移数据求解出吸力桶结构
‑
土界面的相互作用力；根据荷载
‑
时程关系更新环境荷载信息，重复上述两步进行数据迭代，实现多时程下的荷载
‑
位移
‑
土抗力计算；基于所获得的位移数据进行海上吸力式桶型基础累计变形分析，基于所获得的刚度数据进行海上吸力式桶型基础频率演化计算。2.根据权利要求1所述的海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算方法，其特征在于，所述建立海上风机吸力桶基础的整体模型包括：将上部叶片
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机舱简化为质量点作用于风机塔筒顶部；塔筒、吸力桶主导管、吸力桶结构按照Euler
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Bernoulli梁单元理论搭建有限元分析模型。3.根据权利要求1所述的海上吸力式桶型基础累计变形与频率演化的多弹簧计算方法，其特征在于，所述搭建吸力桶结构
‑
土相互作用的多弹簧模型包括：采用阻力
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位移弹簧描述吸力桶结构
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土相互作用，并分解为p
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y弹簧、t
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z弹簧、Q
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z弹簧三部分，分别用于求解吸力桶结构水平土应力、侧壁摩擦阻力、桶盖下土阻力；根据等能量法则对所构建的p
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y弹簧进行分解，使其沿桶周均匀分布用于描述吸力桶结构在风、浪、流联合荷载下的不均匀水平应力场；对分解后的p
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y弹簧搭配相对应的t
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z弹簧，并将各p
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y弹簧求解出的水平土抗力结果输入到对应t
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z弹簧计算中，用于还原联合荷载下吸力桶结构周围土体的非等...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈侃敏，徐孟涛，国振，王宽君，王滨，李瑜，高山，张权，任修迪，王德志，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：