适用于海上风机整体耦合计算的桩基线性化及基础结构超单元计算方法

1.本发明涉及海上风机数值仿真计算技术领域，具体涉及一种适用于海上风机整体耦合 计算的桩基线性化及基础结构超单元计算方法。


背景技术：

2.全球海上风能资源丰富，我国作为海上风能资源蕴藏量最为丰富的国家之一，其中东 部沿海地区，5-25米水深、50米高度海上风电开发潜力突破2亿千瓦；25-50米水深、70 米高度海上风电开发潜力达到50万mw。
3.近年来我国海上风电事业发展迅速，海上风电场开发建设采用了重力式、高桩承台、 单桩、导管架和多桩基础等多种固定式基础形式。与陆上风电场建设，海上风电结构设计 不仅需要考虑基础承载力、风载，还应将波浪等水动力载荷纳入设计过程中。特别是，随 着设计水深的不断增加，风荷载、波浪荷载及海上风机结构之间的相互作用对于结构反应 的影响愈发明显。因此，对于海上风机结构而言，现阶段最核心的技术挑战为如何准确得 到风、浪等复杂环境荷载联合作用下的结构动力响应。
4.目前，已有的风、浪联合作用下海上风机整体结构数值仿真计算模型对于固定式基础 结构边界条件主要采用固定边界条件，这一方法固定约束边界条件的主要缺点为无法考虑 桩-土相互作用对于风、浪作用下海上风机结构反应的影响，无法获得准确的海上风机结构 动力响应。因此，建立转子结构-塔筒结构-基础结构-桩基础，并包含传动系统及机电伺服 控制策略的海上风机整体耦合模型对于准确模拟随机风、浪作用下海上风机结构运动响应 至关重要。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提出一种适用于海上风机整体耦合计算的桩基线性化及 超单元计算方法。基于该发明提出的整体耦合模型可以实现风、浪和流荷载联合作用下的 海上风机空气动力-水动力-控制系统-桩土相互作用-结构弹性的整体耦合分析。
6.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
7.一种适用于海上风机整体耦合计算的桩基线性化及基础结构超单元计算方法，其整体 耦合计算的桩基线性化及超单元计算方法包括以下步骤：
8.a.利用matlab编程，开展桩基线性化，生成线性化的桩基础刚度、质量矩阵文件， 以及在侧向荷载作用下沿着桩基各点的位移、剪力以及弯矩的关系；
9.b.基于matlab编程，利用界面交互程序，读取线性化的桩基础和基础结构刚度、 质量矩阵文件，运用guyan方法、dynamic方法和craig-bampton方法进行基础结构超单 元矩阵计算，凝聚基础结构刚度、质量矩阵；
10.c.基于fast v8开发桩土相互作用模块，读取步骤b计算出来的线性化桩基刚度矩阵， 开展单桩、导管架及多桩基础型式海上风机结构整体耦合计算；
11.d.基于fortran程序编译fast v7软件，读取步骤b计算出来的超单元矩阵，开展重 力式、高桩承台基础形式海上风机风机结构整体耦合计算。
12.优选的是，所述界面交互程序包含以下子步骤：
13.b1.读取步骤a中的线性化后的结构质量、刚度矩阵，并生成与节点编号和自由度相 对应的特征矩阵元素检索矩阵，进一步依据用户指令调用相关凝聚方法完成初始特征矩阵 凝聚，输出结果文件到整体耦合模块或指定存储位置；
14.b2.根据静力凝聚方法guyan法或者动力凝聚方法craig-bampton、dynamic和serep 方法进行计算，得到海上风机基础超单元矩阵；
15.b3.根据逐步积分法进行动力响应计算及对比，动力特性计算及对比。
16.优选的是，所述步骤c采用以下子步骤：
17.c1.基于fortran编程，利用fast v8.16中subdyn程序开发桩土相互作用模型；
18.c2.读取步骤b中桩头刚度矩阵；
19.c3.建立包含转子结构-塔筒结构-基础结构-桩基础并包含传动系统和机电伺服控制策 略的单桩、导管架及多桩基础形式海上风机整体耦合计算模型；
20.c4.依据海上风机设计规范iec 61400-3、dnv gl-st-0437选取荷载工况，开展单桩、 导管架及多桩基础海上风机结构整体耦合计算。
21.进一步优选的是，所述桩土相互作用模型包含以下子步骤：
22.c11.改变海上风机基础结构运动方程泥面处边界条件，边界条件由固定边界约束变为 弹性边界约束；
23.c12.基于边界条件对基础结构质量和刚度矩阵进行修正。
24.优选的是，所述步骤d采用以下子步骤：
25.d1.基于fortran程序编译fast v7软件；
26.d2.输入步骤b中生成的基础结构超单元矩阵；
27.d3.建立转子结构-塔筒结构-基础结构并包含传动系统和机电伺服控制策略的重力式、 高桩承台基础形式海上风机整体耦合模型；
28.d4.开展风荷载、波浪荷载联合作用下的海上风机整体结构动力反应分析。
29.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
30.(1)建立了更为完善的海上风机整体耦合分析方法，建立海上风机空气动力-水动力
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控制-结构弹性-桩土相互作用的耦合模型，可用于开展单桩、导管架及多桩基础海上风机 结构整体耦合分析，还可以用于开展风荷载、波浪荷载联合作用下的重力式、高桩承台等 基础型式海上风机整体结构动力反应分析。
31.(2)本发明的模块既成为一个整体，整套单独使用；又可以与其他软件对接。
32.(3)本发明包含多种超单元凝聚方法，可根据用户计算精度和效率要求选择不同的 凝聚方法。
附图说明
33.上述介绍仅是本发明技术方案的概述，为了更为详细和清楚地介绍本发明的关键技术 手段，以下附图和具体实施方式对本发明进行更详细的概述。
34.图1是海上风机整体耦合计算的桩基线性化及超单元计算方法的基本流程图。
35.图2是桩基线性化后海上风机基础结构的桩头刚度矩阵。
36.图3是海上风机基础结构的超单元矩阵。
37.图4是海上风机考虑桩土相互作用的耦合分析与假定桩基础底部固定的海上风机耦合 分析基频对比图。
38.图5是海上风机考虑桩土相互作用的耦合分析与假定桩基础底部固定的海上风机耦合 分析塔顶位移对比图。
39.图6是海上风机考虑桩土相互作用的耦合分析与假定桩基础底部固定的海上风机耦合 分析塔底弯矩对比图。
40.图7是海上风机考虑桩土相互作用的耦合分析与假定桩基础底部固定的海上风机耦合 分析基底倾覆力矩对比图。
具体实施方式
41.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发 明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专 利的限制。
42.本发明一种适用于海上风机整体耦合计算的桩基线性化及超单元计算方法主要包括 桩基线性化模块、超单元凝聚模块和整体耦合动力分析模块等，其对应的分析方法包括以 下步骤和特征。
43.第一步，用matlab软件编程，输入模型参数和地质条件，比如钢桩数量、钢桩直 径、嵌入深度、钢桩直径、土壤类型、土壤的不排水抗剪强度、土的重度、土的内摩擦角、 土层深度等，计算水平侧向荷载位移p-y曲线、轴向荷载传递t-z曲线和桩端荷载-位移q-z 曲线，基于弹性地基梁模型及有限差分程序进行桩基线性化计算，生成结构线性化后的质 量、刚度矩阵数据文件，如图2所示为桩基线性化后海上风机基础结构桩头刚度矩阵。
44.进一步来说，本发明采用规范api rp 2a计算水平侧向荷载位移p-y曲线、轴向荷载 传递t-z曲线和桩尖荷载-位移q-z曲线。
45.第二步，利用基于matlab程序编程的超单元凝聚模块界面交互程序，启动主程序 处理模块读取线性化后的桩基质量、刚度矩阵文件和基础结构刚度、质量矩阵文件，并生 成与节点编号和自由度相对应的特征矩阵元素检索矩阵。进一步依据用户指令调用相关凝 聚方法。
46.第三步，利用界面交互程序，依据用户指令调用相关凝聚方法，基于主程序运行模块 进行基础结构超单元计算，凝聚桩头刚度矩阵，如图3所示为基于craig-bampton方法得 到的海上风机基础结构超单元矩阵。
47.进一步来说，本发明所采用的凝聚方法包括静力凝聚方法guyan方法，动力凝聚方法 craig-bampton和serep方法。
48.进一步来说，本发明所采用的静力凝聚方法guyan方法的计算步骤为：
49.(1)读取线性化后的质量、刚度矩阵文件；
50.(2)依据结构主自由度对初始特征矩阵进行重排列；
51.(3)计算得到转换矩阵；
52.(4)依据转换矩阵，计算得到超单元矩阵；
53.进一步来说，本发明所采用的动力凝聚方法serep方法的计算步骤为：
54.(1)基于线性化后的质量、刚度矩阵文件，得到标准化的初始阵型矩阵；
55.(2)选取结构拟保留自由度，确定振型矩阵，构造置换矩阵；
56.(3)依据置换矩阵完成刚度和质量矩阵的凝聚。
57.进一步来说，本发明所采用的动力凝聚方法craig-bampton方法的计算步骤为：
58.(1)选取结构主节点自由度，主振型，读取线性化后的质量、刚度矩阵文件；
59.(2)依据边界节点和内节点，对初始质量刚度矩阵进行重排列，计算边界节点和内 节点转换矩阵；
60.(3)依据边界节点和内节点转化矩阵凝聚初始矩阵，得到包括过渡点自由度和内部 节点主自由度的基础超单元；
61.第五步，基于fortran修改fast v8.16中subdyn计算模块，添加桩土相互作用模型， 用于建立转子结构-塔筒结构-基础结构-桩基础的，并同时包含传动系统和机电伺服控制系 统的海上风机整体结构耦合计算方法。
62.进一步来说，本发明桩土相互作用模块的具体计算步骤为：
63.首先，在外荷载作用下，海上风机基础结构广义运动方程可写为：
[0064][0065]
式中表示[m]下部结构的质量矩阵，[c]表示阻尼矩阵，[k]表示基础结构的质量矩阵， 下部结构加速度，表示下部结构速度，{u}表示下部结构位移。基于c-b方法可 将区分为{u}边界位移和内部节点位移，即由此，可将基础结构的运动方程 改写为：
[0066][0067]
式中：表示边界节点的加速度、速度和位移向量，表示边界节点的加速度、速度和位移向量，表示内部节点的加速度、速度和位移向量。
[0068]
fast程序中海上风机边界条件为其中{u
int
}，{u
base
}分别表示塔筒与 基础过渡节点的位移和基础底部桩基节点的位移，其中u
base
＝0。
[0069]
根据上述边界条件推导出质量矩阵如下式：
[0070][0071]
其中m
base
可以表述为：
[0072]
[0073]
根据上述边界条件推导出刚度矩阵如下式：
[0074][0075]
其中k
base
可以表述为：
[0076][0077]
基于fortran编译fast软件修改海上风机泥面处边界条件其中 边界条件由固定边界约束变为弹性边界约束。
[0078]
根据上述边界条件对基础结构质量矩阵和刚度矩阵进行修正，推导出质量矩阵如下式：
[0079][0080]
其中m
base
可以表述为：
[0081][0082]
其中m
soil,1
可以表述为：
[0083][0084]
根据上述边界条件对基础结构质量矩阵和刚度矩阵进行修正，推导出刚度矩阵如下 式：
[0085][0086]
其中k
base
可以表述为：
[0087]
[0088]
其中k
soil
可以表述为：
[0089][0090]
修正完成后,考虑桩基础对于基础结构刚度、质量矩阵的影响。
[0091]
第六步，输入第三步线性化的桩头刚度矩阵到fast v8中，建立转子结构-塔筒结构
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基础结构-桩基础的，并同时包含传动系统和机电伺服控制系统的海上风机整体结构耦合模 型，设置初始条件和初边界条件，根据海况文件和风机规范推荐的风谱生成的风时程文件， 开展单桩、导管架和多桩基础等基础类型海上风机结构整体耦合计算。
[0092]
第七步，基于fortran程序编译fast v7软件，读取第三步的基础超单元矩阵，建立 重力式、高桩承台等基础形式海上风机整体结构计算模型，气弹分析模块aerodyn读入风 速时程文件，水动力模块hydrodyn读入海况文件，依据初始条件开展整体耦合结构动力 反应分析。图4-图7为忽略和考虑弹性地基边界条件的海上风机整体结构运动响应时频域 对比。
[0093]
以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域 技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的 保护范围之内。