考虑荷载安全裕度的海上风电筒型基础优化反演设计

文章基于结构荷载安全裕度概念,针对海上风电筒型基础结构开展基于荷载安全裕度的结构优化反演设计,在保证结构强度和稳定性要求的同时,减少材料用量,优化体型以降低结构造价。基于粒子群优化算法和有限元方法,建立海上风电筒型基础结构优化反演分析模型与计算流程,分别取1.10,1.20和1.303个设计荷载安全裕度值,对原筒型基础结构进行优化设计。结果表明:基于3个安全裕度反演的基础结构各项指标均满足设计要求,说明在考虑安全裕度后,优化结构仍具有较高的安全储备,为海上风电结构优化设计提供了新的思路。

海上风电全钢质筒型基础波浪疲劳分析与优化

疲劳是控制海上风电基础结构安全的主要因素之一,针对海上风电全钢质新型筒型基础结构疲劳问题展开研究,基于随机波浪理论与频谱分析方法,阐述了长期海况分布下结构交变应力服从Rayleigh分布的疲劳损伤累积计算方法;借助全钢质海上风电筒型基础基于前述理论开展了疲劳损伤与寿命计算,获得筒型基础主要的疲劳破坏点集中在斜撑与圆柱体连接的位置,并基于此进行了结构局部优化,结果对比表明关键部位的几何优化可极大降低应力集中程度,减小疲劳累积损伤,同时也验证了疲劳计算结果对热点应力水平具有高敏感性。

复合筒型基础预应力过渡段结构优化设计

以江苏启东海域某海上风电工程的筒型基础为研究对象,通过大型有限元软件ABAQUS对初始筒型基础结构建立多种试算模型并进行有限元计算,重点研究弧形过渡段结构张拉控制应力、预应力孔道数量和布置、预应力钢绞线数量以及各类普通钢筋配置方式等因素对筒型基础新型预应力弧形过渡段传力特性及整体结构承载性能的影响.根据模型计算结果,确定最终优化调整方案为:施加有效预应力1,000,MPa,预应力孔道数量不变,钢绞线根数优化为10根,竖向普通钢筋为60道φ25,mm,环向钢筋由φ28,mm优化为φ22,mm.

海上风电筒型结构基础层状地基参数优化反演

如何准确建立地基弹性模量与压缩模量的关系已经成为海上风电结构设计与校核过程中关键难题.针对响水海上风电复合筒型基础结构原型数据与地勘资料,提出一种基于MATLAB和ABAQUS的联合仿真方法(MATABA)对筒型基础复杂层状地基参数优化反演分析.首先,开发了以MATLAB粒子群算法为主程序调用ABAQUS进行循环地基参数优化反演的程序;然后,建立三维"风机-塔筒-复合筒型基础-地基"一体化有限元-无限元耦合模型;最后,基于MAT-ABA优化反演得到的参数,对比分析风荷载激励下筒型基础结构的动态响应模拟值与实测值.结果表明,复杂层状地基弹性模量与压缩模量转换系数不同,对比优化反演得到的参数下动力响应模拟值与实测值拟合良好,表明优化反演结果的准确性与可靠性.

桶间距对四桶吸力式基础各单向承载力的影响及最优间距的确定

四桶吸力式基础由4个按正方形排列的吸力式桶形基础组成,并通过上部结构连成整体共同承受外部荷载,相比于单桶基础,四桶基础能承受更恶劣的海洋环境荷载,可作为海上风机和海洋平台等结构物的基础,具有广阔的应用前景。为探究饱和软土地基上四桶基础和单桶基础在承载力以及破坏模式方面的关系,优化四桶基础的设计,建立了大量的四桶和单桶基础的三维有限元模型,系统研究了不同基础埋深和土体剪切强度时桶间距对四桶基础各单向承载能力和对应的破坏模式的影响。结果表明,竖向承载力系数受桶间距影响较小,而水平承载力系数受其影响较大,力矩承载力系数受其影响尤为显著;在同一桶间距比时,四桶吸力式基础的各单向承载力系数随基础埋深比的增加逐渐增大,随土体剪切强度不均匀度指标的增大逐渐减小。通过分析四桶基础的各单向承载力、对应的破坏模式和群效应系数,定义了四桶基础的最优桶间距,可为四桶基础桶间距的优化设计提供依据。

下压荷载作用下桩—桶基础结构设计及数值模拟

运用ABAQUS软件分析不同尺寸的桩—桶基础在相同下压位移时的下压荷载的变化,并对桩—桶基础进行结构设计。桩—桶基础的主要尺寸包括桶顶以下入土桩长(L3),桶半径(R)及桶壁高(H),不同尺寸的桩—桶基础在地基土达到破坏时的极限荷载各不相同,增加L3,R及H能提高基础的抗压承载力;R的变化对基础的抗压承载力最大,其次是L3的变化,最后是H的变化。通过变化桩—桶基础结构的几何尺寸可以得到结构不同的承载力,以分析结构内力变化的规律,若其他尺寸不变,桶径增大1.67倍,桩—桶基础极限抗压承载力可提高60%,桶高增大40%,基础极限承载力可提高5%,桩长增长一倍,基础极限承载力提高33%,故桶径的变化对桩—桶基础的承载力影响最大。为了将桩与桶两者的工程优势充分发挥出来,并考虑到工程经济性原则,从而设计出几何尺寸合适的桩—桶基础结构,使其承载力性能高,结构内力相对小且分布均匀。

海上桶基平台基础边界条件的简化方法与结构优化

海上桶型基础平台采用桶型基础这一新型的基础型式，桶基平台在结构强度校核计算和结构优化中必须考虑其有限元分析模型的基础边界条件简化问题。本文提出了桶基平台有限元分析模型中的基础边界条件简化方法，将桶型基础边界简化为位移弹簧边界元，给出了弹簧刚度的计算方法。通过模型试验与本文提出方法的计算结果的比较，证明本文提出的方法是正确的。同时，将本文提出的方法应用于桶基火炬平台的结构优化，表明该方法是实际可行的并且对于桶基平台的结构强度校核计算与结构优化有重要意义。对于桶基火炬平台的结构优化采用了适合离散变量优化求解的遗传算法，优化的结果有效地降低了结构重量，降低了工程造价。

均质软黏土中双筒吸力桩基础最佳荷载作用点不排水承载特性数值分析

基于通用静力总应力分析方法,利用有限元软件ABAQUS建立了双筒吸力桩基础的三维有限元承载力模型,提出两种最佳荷载作用点判别标准,确定双筒基础受荷时最佳加载点位置随筒间距和加载角度的变化规律.对最佳荷载作用点作用下,不同长径比、不同筒间距、不同加载角度对双筒基础受荷的破坏模式和失稳机理进行分析,得到了承载力V-H破坏包络线.本研究总结归纳双筒基础极限破坏位移的发展规律,提出了判断双筒基础达到极限承载力的位移标准.通过与单筒基础最佳荷载作用点受荷相比,得到双筒吸力桩基础不同加载角度受荷的群桩效应系数,为海底工程设施的基础设计提供可借鉴依据.

筒式基础结构分仓形式对抗倾承载力的影响

使用ABAQUS建立了4种不同分仓形式的筒式基础结构与土相互作用的非线性弹塑性有限元分析模型，得到了结构在水平荷载作用下的P-S曲线及极限状态的土压力。重点分析筒仓内壁土压力在不同区域的分布和变化趋势，根据结构的P-S曲线评估分仓形式的改变对结构抗倾能力的影响。结果表明，经过分仓优化的结构可更好地发挥其抗倾潜力，其结构承载力可提升15％～25％。

桩筒复合基础筒体结构优化及承载性能分析

由于桩筒复合基础本身具有固有频率,为防止结构发生破坏,在设计其尺寸时应避免其固有频率与可能的荷载频率过分接近。本文利用ABAQUS软件对桩筒基础进行模态分析,得到最佳筒桩直径比和筒裙高度;对桩筒复合基础与传统单桩基础承载性能进行比较,讨论筒体和桩体受力特点;开展了室内试验,验证了模型的可靠性。结果表明:桩筒复合基础较单桩基础有明显承载优势和防冲刷效果,增加筒体直径是提高承载力的重要因素,而筒体高度超过一定值后承载力提高不显著。

海上风车吸力式筒型基础的优化设计

在满足安全的前提下,如何降低成本和方便施工是海上风车吸力式筒型基础设计的技术难题。针对这些技术难点对吸力式筒基进行优化设计研究。提出以筒基总体积、单筒外直径及筒基入泥深度的加权和作为目标函数、以筒基的基本结构参数作为决策变量、以限制结构的深基础运动和浅基础运动作为约束条件的优化模型,并应用蚁群算法求解非劣最优解。工程实例应用表明,优化设计的效果是显著的。