基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法技术

本发明专利技术公开了基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，包括：对单立柱式海上风机结构的基础结构的模型进行网格划分；定义基础结构材料属性及网格单元的壳体截面属性，将截面属性分配给网格单元组装成装配体；根据装配体建立有限元模型，基于单元刚度矩阵和单元质量矩阵建立装配体的整体刚度矩阵和整体质量矩阵；根据网格单元添加外载荷计算单元外载荷向量得到总体外载荷矩阵；在远离载荷区任意选取一节点，其六个自由度设为0；基于整体质量矩阵计算得到惯性力载荷；根据惯性力载荷得到真实外载荷；根据整体刚度矩阵及真实外载荷计算结构的位移，基于该位移计算应力分布

【技术实现步骤摘要】
基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法


[0001]本专利技术涉及单立柱式海上风机结构
，特别是涉及一种基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法
。

技术介绍

[0002]单立柱式海上风机结构响应计算技术，目前存在以下缺点：1）通过在单立柱式海上风机特定点添加位移边界条件会导致虚假约束点的应力分布不真实；2）通过在特定点添加位移边界条件时，约束点的选择往往没有既定的标准；3）通过加速度计算惯性力时，难以做到自动化程序，对于复杂的单立柱式海上风机结构和复杂载荷难以计算
。
例如
Diogo
提到在使用在既定点添加位移边界条件的做法时，该方法更适用于评估远离边界条件的部位
。
例如陈召涛和孙秦指出，在根据达朗贝尔原理通过加速度计算惯性载荷时，对于复杂工况，这种处理实现起来比较困难
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术中的问题，而提供一种基于有限元方法的惯性释放理论来计算海上漂浮式风机的结构响应，以实现对实际位移和应力分布的正确模拟的基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，通过引入基于有限元方法的惯性释放理论，实现海上漂浮式风机结构响应的正确模拟
。
[0004]一种基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，包括步骤：
[0005]S1.
对单立柱式海上风机的基础结构的模型进行网格划分，形成多个网格单元；
[0006]S2.
>定义所述基础结构的材料属性以及形成所述网格单元的壳体的截面属性，将所述截面属性分配给对应的网格单元并组装成装配体；
[0007]S3.
根据所述装配体建立有限元模型，基于单元刚度矩阵和单元质量矩阵建立所述装配体的整体刚度矩阵和整体质量矩阵；
[0008]S4.
对每个所述网格单元添加外载荷，根据所述外载荷计算单元外载荷向量，所有单元外载荷向量形成总体外载荷矩阵；
[0009]S5.
在远离载荷区任意选取一节点，设置该节点的六个自由度为0；基于整体质量矩阵
、
刚体模态以及刚体模态下广义加速度矢量，计算得到惯性力载荷；
[0010]S6.
根据所述惯性力载荷对总体外载荷矩阵修正，计算基础结构所受到的真实外载荷；根据所述整体刚度矩阵以及所述真实外载荷，计算基础结构的位移；
[0011]S7.
基于所述基础结构的位移，计算单桩式海上风机的基础结构的应力分布
。
[0012]其中，采用四边形四节点壳单元对单立柱式海上风机的基础结构的模型进行网格划分
。
[0013]其中，所述基础结构的材料属性包括杨氏模量
、
泊松比和密度
。
[0014]其中，所述网格单元的壳体的截面属性包括壳体的厚度及对应的材料属性；若所述基础结构只包含一种材料且壳体各部位厚度相同，则定义一组截面属性；若所述基础结
构包含多种材料和
/
或壳体各部位厚度不同，则定义多组截面属性
。
[0015]其中，所述整体刚度矩阵由单元刚度矩阵形成，所述单元刚度矩阵表达式为：
[0016]其中，表示单元刚度矩阵，是应变
‑
位移矩阵，是本构矩阵，是微分符号，表示在体积上积分，表示单元体积，表示矩阵的转置矩阵；所述整体质量矩阵由单元质量矩阵形成，所述单元质量矩阵表达式为：其中，表示单元质量矩阵，是材料的密度，是形函数，表示形函数的转置矩阵
。
[0017]其中，所述外载荷包括风载荷
、
浪载荷和流载荷；所述单元外载荷向量由以下式计算获得：
[0018]式中，为单元外载荷向量；是体力，表示由质量引起的外力，是外载荷，为微分符号，表示在面积上积分，表示单元受力面面积
。
[0019]其中，所述惯性力载荷的计算过程包括：
[0020]定义力平衡方程表示为：其中，是整体质量矩阵，是整体刚度矩阵，是总体外载荷矩阵，是基础结构的位移，表示对微分两次；
[0021]定义有限元的特征频率和模态求解方程为：
[0022]其中，是结构模态向量对应的特征频率，所有结构模态向量构成模态矩阵，模态矩阵中的前六阶为刚体模态，用表示，刚体模态下广义加速度矢量由下式计算：
[0023][0024]计算惯性力载荷如下：
[0025]式中，表示惯性力载荷
。
[0026]其中，所述的真实外载荷的计算如下：
[0027][0027]为真实外载荷
。
[0028]其中，所述的基础结构的位移通过以下式计算获得：
[0029]其中，所述的单桩式海上风机的基础结构的应力分布根据下式求得：
[0030]式中，表示单桩式海上风机的基础结构的应力分布
。
[0031]本专利技术方法通过与有限元方法的结合，实现自动化添加惯性载荷，快速且准确地计算单立柱式海上风机的基础结构的响应，不仅能够消除约束点选择的困难，还能正确模拟每个部位的应力和位移分布
。
[0032]本专利技术方法还能够实现自动化编程，并与有限元方法相结合，具备高效
、
准确的预测单立柱式海上风机的基础结构响应的能力，在约束点选择
、
应力与位移分布的准确性
、
自
动化编程和预测能力等方面具有优势，具有强大的泛化性，可为单立柱式海上风机的工程设计和性能评估提供可靠的支持
。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例单立柱式海上风机结构响应计算方法的流程图
。
[0034]图2为实施例计算用的单立柱式海上风机的结构示意图
。
[0035]图3为单立柱式海上风机的基础结构的模型的网格划分示意图
。
[0036]图4为单立柱式海上风机的基础结构的模型的位移边界条件设置示意图
。
[0037]图5为单立柱式海上风机的基础结构的模型的外载荷施加示意图
。
[0038]图6为得到的单立柱式海上风机的基础结构的位移云图
。
[0039]图7为得到的单立柱式海上风机的基础结构的应力云图
。
具体实施方式
[0040]为使本专利技术实施例的目的
、
技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例
。
[0041]参见图1所示，一种基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，包括步骤：
[0042]S1.
对单立柱式海上风机的基础结构的模型进行网格划分，形成多个网格单元；
[0043]S2.
定义基础结构的材料属性以及所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，其特征在于，包括步骤：
S1.
对单立柱式海上风机的基础结构的模型进行网格划分，形成多个网格单元；
S2.
定义基础结构的材料属性以及形成所述网格单元的壳体的截面属性，将所述截面属性分配给对应的网格单元并组装成装配体；
S3.
根据所述装配体建立有限元模型，基于单元刚度矩阵和单元质量矩阵建立所述装配体的整体刚度矩阵和整体质量矩阵；
S4.
对每个所述网格单元添加外载荷，根据所述外载荷计算单元外载荷向量，所有单元外载荷向量形成总体外载荷矩阵；
S5.
在远离载荷区任意选取一节点，设置该节点的六个自由度为0；基于整体质量矩阵
、
刚体模态以及刚体模态下广义加速度矢量，计算得到惯性力载荷；
S6.
根据所述惯性力载荷对总体外载荷矩阵修正，计算基础结构所受到的真实外载荷；根据所述整体刚度矩阵以及所述真实外载荷，计算出基础结构的位移；
S7.
基于所述基础结构的位移，计算单桩式海上风机的基础结构的应力分布
。2.
根据权利要求1所述基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，其特征在于，采用四边形四节点壳单元对单立柱式海上风机的基础结构的模型进行网格划分
。3.
根据权利要求1所述基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，其特征在于，所述基础结构的材料属性包括杨氏模量
、
泊松比和密度
。4.
根据权利要求1所述基于惯性释放理论的单立柱式海上风机结构响应计算方法，其特征在于，所述网格单元的壳体的截面属性包括壳体的厚度及对应的材料属性；若所述基础结构只包含一种材料且壳体各部位厚度相同，则定义一组截面属性；若所述基础结构包含多种材料和
/
或壳体各部位厚度不同，则定义多组截面属性
。5.
根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈念众，蒋淳豪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：