一种中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计方法

摘要

本发明公开了一种中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计方法，基于设计约束经验库，对设计参数进行分级优化搜索，通过对控制准则进行分级和解耦，并进行检验和评价，最终得到最优的结构设计方案。本发明针对中等水深海域桁架式风机基础结构型式，研发一套多准则多参数结构优化方法，依据工程设计经验对设计准则分级，同时确定设计参数的搜索方法，从而有效提高该类风机基础型式的优化设计效率。

说明书

技术领域

本发明涉及海上风机基础结构优化技术领域，具体涉及一种中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计方法。

背景技术

风能是一种可再生的绿色能源。随着技术不断进步，除水力发电外，风力发电技术最为成熟，具有规模化开发和良好的商业发展前景。回顾风电产业的发展历程，大致可以分为3个阶段：已较为成熟的陆上风电技术，正在快速发展的近海风电技术，未来潜力巨大的海上风电技术。陆上风电技术虽已较为成熟，但发展空间受到土地占用量大和噪声明显等问题的严重制约，而海上风电技术有望成为未来风能产业发展的主要方向。

目前海上风电开发主要集中于浅水海域，随水深增加建设成本迅速提高，其中风机基础投入约占总成本的20％～30％。如何优化风机基础结构设计，降低结构用钢量，从而削减成本，是促进海上风电产业向中等水深海域(20～50m)发展的重要因素。虽然风电行业已在基础结构优化设计方面进行了很多研究工作，但仍存在以下不足：

(1)现有优化设计主要针对浅水海域的风机基础型式，当扩展至中等水深海域时桁架式基础结构型式表现出更好的性能，而现有优化方法缺少对中等水深海域桁架式风机基础型式的适用性；

(2)按照海上风电结构设计规范要求，基础结构设计中需校核桩基承载力、基础边线、结构应力、管节点冲剪应力和固有频率等多重控制指标，现有研究工作缺少较成熟的涉及多变量多控制标准的优化设计方法；

(3)海上风电行业传统的“试算—验证—修改”设计方法需要大量设计人员长周期的设计工作，难以实现快速设计并得到优化方案。

基于上述情况，本发明提出了一种中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计方法，可有效解决以上问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计方法。本发明针对中等水深海域桁架式风机基础结构型式，研发一套多准则多参数结构优化方法，依据工程设计经验对设计准则分级，同时确定设计参数的搜索方法，从而有效提高该类风机基础型式的优化设计效率。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计方法，采用多目标、多参数的优化手段，通过数值技术进行中等水深海域桁架式风机基础结构优化设计；基于设计约束经验库，对设计参数进行分级优化搜索，通过对控制准则进行分级和解耦，并进行检验和评价，最终得到最优的结构设计方案。

所述控制准则分级和解耦是指对中等水深海域桁架式风机基础结构设计准则进行重要程度和敏感性对比和划分。

所述检验和评价是指对设计方案进行规范检验和校核，同时综合考虑设计方案实际工程优劣。

该方法包括如下步骤：

a、基于理论分析和对已有工程实例的调研，将给定设计参数建议取值和限制设计参数取值范围的约束条件整理汇总，形成适于中等水深海域桁架式风机基础结构的设计经验库；

b、依据优化顺序对各设计参数进行分级，形成设计参数逐级搜索方法；并将各级设计参数汇集于整体模型中，形成设计方案库；

c、依据结构设计控制准则重要程度和敏感性，对控制准则进行分级，从而对各控制准则解耦，进行设计方案库控制准则分级计算分析，进行规范检验和校核；

d、通过上述实施步骤，设计方案经过多级控制准则检验和评价，同时综合考虑设计方案实际工程优劣，最终得到最优的结构设计方案。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤b中的各设计参数优化分级包括逐级搜索的过渡段拓扑变量、甲板尺寸变量、桁架结构拓扑变量。

作为本发明的一种优选技术方案，过渡段拓扑变量包括过渡段斜撑表观倾角和桁架腿甲板处间距，甲板尺寸变量为甲板梁尺寸，桁架结构拓扑变量包括主腿斜度和拓扑宽高比。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤c中的控制准则分为逐级检验的三级检验标准：

第一级检验标准，其包括并列的静力分析和模态分析，静力分析用于检验优化方案是否满足规范中的强度要求和变形要求，模态分析用于检验优化方案的1阶固有频率是否在允许的频率范围内；

第二级检验标准，其为疲劳分析，用于检验优化方案结构的耐久性；

第三级检验标准，对所有通过前两级检验的优化方案进行成本综合评价，在各优化方案中筛选出最优的桁架式风机基础型式。

作为本发明的一种优选技术方案，静力分析的目的是检验优化方案是否满足规范中的强度要求和变形要求，即杆件应力UC值和管节点应力IR值是否小于1.0，风机基础结构的变形和转角是否小于允许值；模态分析的目的是检验优化方案的1阶固有频率是否在允许的频率范围内，即介于风机振动频率1P和3P之间。

作为本发明的一种优选技术方案，疲劳分析包括风激疲劳分析、波浪疲劳分析以及冰激疲劳分析，需要优化方案的疲劳寿命需大于设计寿命。

作为本发明的一种优选技术方案，第三级检验标准综合考虑优化方案结构的加工和安装难度、工期、整体静力性能、动力性能以及疲劳性能在内的因素。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

1.基于实际工程经验和结构优化理论，针对中等水深海域桁架式风机基础结构型式，建立了一种多准则多参数结构优化方法，具有流程标准化、适用范围广、适应性强等优势，可以辅助该类基础型式的优化设计、积累设计经验、提高设计效率。

2.本发明结构优化方法考虑了结构型式对风电机组发电效率的影响，在优化设计中综合考虑了海上风电结构的使用性、安全性和经济性。

3.本发明结构优化方法从相关规范出发，设计过程涵盖了规范中各项校核要求，优化设计结果不需要反复校核检验。

4.本发明结构优化方法已形成标准化设计流程，易于开发相应软件或程序，实现自动化辅助优化设计，减轻设计人员的工作负担，并为设计人员新的设计想法提供验证支撑条件。

附图说明

图1是本发明结构优化方法的控制准则分级；

图2是本发明结构优化方法的设计参数逐级搜索流程；

图3是本发明多准则多参数结构优化方法的技术流程；

图4是本发明结构优化方法应用于某中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计，在第1级检验中杆件UC值与频率的计算结果；

图5是本发明结构优化方法应用于某中等水深海域桁架式风机基础结构的优化设计得到的优化方案结构模型(左侧)及其详细实施过程(右侧)。

具体实施方式

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。

结构优化是一项系统工程，需综合考虑各结构参数的调整，保证优化方案同时满足结构安全性、使用性和经济性要求，并且在各备选方案中是最优的。本发明结构优化策略针对包含多目标和多参数的优化系统，通过数值技术进行结构优化设计。在多参数优化设计理论中，通常将一个具体的结构优化设计问题抽象为目标函数、设计参数和约束条件。结构优化过程就是寻找一组设计参数，在满足约束条件的情况下，使得目标函数最小。这组设计参数构成的结构型式就是最优的设计方案。目标函数、设计参数和约束条件的表达式如下：

目标函数：f(x

设计参数：x＝{x

约束条件：g

其中，f(x)是与结构各设计参数相关的目标函数，min为其最优值；x

(1)设计经验库

约束条件是桁架式风机基础结构优化设计中的关键环节。一方面，约束条件限制设计参数取值范围或给出建议取值，是设计参数必须满足的边界条件；另一方面，约束条件指引设计参数搜索方向，可以提高搜索效率。在优化设计基本理论中，约束条件可以分为等式条件和不等式条件(如式1)，分别对应给定设计参数建议取值和限制设计参数取值范围的情况。将这些约束条件整理汇总，即形成适于中等水深海域桁架式风机基础结构设计经验库。

设计经验库的建立是基于理论分析和对已有工程实例的调研，其中，敏感性分析和数值模拟技术是理论分析的主要方法。基于交叉式优化算法分级得到的各级设计参数分别对应各自的约束条件。

(2)交叉式优化算法

对于桁架式风机基础这种十分复杂的工程结构，影响结构安全性、使用性和经济性的设计参数较多，包括装机功率、作业水深、环境特征、地质参数、结构拓扑和尺寸等。其中，装机功率、作业水深、环境特征和地质参数随前期规划和选址完成即可确定，不作为结构优化设计中需要考虑的变量。因此，这些设计参数作为结构优化的设计条件，是开展优化工作的前提和基础。另一方面，结构拓扑参数和尺寸参数直接决定结构整体力学性能，将作为结构优化过程中的设计参数，基于交叉式优化算法进行搜索，组合成一系列优化方案通过多准则控制算法的检验和筛选。

为提高设计参数的搜索效率，按照优化顺序对各设计参数进行分级，形成逐级搜索策略。在设计参数搜索过程中，必须依据可能性、合理性和全面性等搜索原则。其中，桁架式风机基础结构各设计参数并不是随意取值的，其取值范围必须参考设计经验库，满足约束条件的限制，从而保证设计参数搜索的可能性。风机基础结构各构件的尺寸参数并不是连续变化的，应根据构件型值表选择标准型材，尽量避免使用异型构件造成成本升高，从而保证设计参数搜索的合理性。对设计参数的搜索必须完全覆盖所有可能出现的取值，避免遗漏最优的设计参数组合，从而保证设计参数搜索的全面性。

参考桁架式风机基础设计约束及设计经济性，将各设计参数按照优化顺序分级(如图2)，包括过渡段拓扑变量、甲板尺寸变量、桁架结构拓扑变量和整体模型。其中，过渡段拓扑变量包括过渡段斜撑表观倾角和桁架腿甲板处间距，根据这两项设计参数可以确定过渡段的拓扑形式。甲板尺寸设计参数为甲板梁尺寸。桁架结构拓扑形式设计参数包括：主腿斜度s和拓扑宽高比α，由这两个设计参数可以明确桁架式基础结构的拓扑形式。上述各级设计参数汇集于整体模型中，同时包含设计参数：过渡段斜撑尺寸、桁架腿尺寸和撑杆尺寸，共同形成优化设计方案库。

(3)多准则控制算法

为保证桁架式风机基础结构优化设计方案同时满足安全性、使用性和经济性要求，在设计原则上体现为桁架式风机基础结构完整性、动力特征、耐久性和经济性等要求。上面公式(1)中目标函数的表达式可以替换为下式：

F{f

在式(2)中，大括号内各项即为桁架式风机基础结构优化设计中需遵循的控制准则，中括号内各项即为桁架式风机基础结构优化设计中需遵循的设计约束条件。

影响桁架式风机基础结构整体性能的各控制准则是相互耦合的，首先需对控制准则进行分级，从而对各控制准则解耦。海上风机基础结构设计应进行静力分析、模态分析、疲劳分析和地震分析等，控制准则的分级依据是重要程度和敏感性。对于中等水深海域(20～50m)桁架式风机基础结构，根据环境载荷特征和相关工程经验，可将各控制准则分为3级(如图1)，进而由一系列设计参数组成的优化方案经过三级控制准则检验和评价，最终得到桁架式风机基础优化方案。

在桁架式风机基础设计优化控制准则分级中，静力分析和模态分析并列作为第1级检验标准。其中，静力分析的目的是检验优化方案是否满足规范中的强度要求和变形要求，即杆件应力UC值和管节点应力IR值是否小于1.0，风机基础结构的变形和转角是否小于允许值。模态分析的目的是检验优化方案的1阶固有频率是否在允许的频率范围内，即介于风机振动频率1P和3P之间。静力分析是结构设计中的基本要求，基于中等水深海域桁架式风机基础实际工程经验，结构整体力学性能对静力分析十分敏感。满足规范中静力分析要求的优化方案，一般较易满足疲劳分析和地震分析要求。因此，将静力分析作为第1级控制准则，各优化方案首先要通过静力分析检验。频率要求是海上风电结构特有的一种控制准则，风机基础结构只有介于风机振动频率1P和3P之间，才能保证风机正常运行。桁架式风电结构的动力特性要求十分严苛，结构动力性能对模态分析十分敏感。因此，将模态分析与静力分析并列，也作为第1级控制准则。优化方案在第1级检验中必须同时满足静力分析和模态分析要求，即必须保证静力分析和模态分析两控制准则收敛，才能通过第1级检验。

第2级桁架式风机基础设计优化控制准则是疲劳分析，包括风激疲劳分析和波浪疲劳分析。如果风电结构位于寒冷有冰海域，还应包含冰激疲劳分析。疲劳分析主要检验优化方案结构的耐久性，即优化方案的疲劳寿命需大于设计寿命，才能通过第2级检验。第3级桁架式风机基础设计优化控制准则是综合对比分析，即对所有通过前两级检验的优化方案进行成本综合评价。在第3级检验中，并不是以结构用钢量作为单一评价指标，而是综合考虑优化方案结构的加工和安装难度、工期、整体静力性能、动力性能以及疲劳性能等因素，在各优化方案中筛选出最优的桁架式风机基础型式。

综上，多准则多参数桁架式风机基础优化策略具体流程如图3所示。组成桁架式风机基础优化方案的各设计参数均应满足相应约束条件的要求，各设计参数均在取值范围内，将各尺寸设计参数按照设定步长变化，每形成一个优化方案即代入多准则控制算法。如果能够通过前两级优化检验，则进入第3级作为最优方案备选；如果不能通过前两级优化检验，则返回整体模型，按步长变化设计参数，形成新的优化方案再进行多级检验。

下面结合附图，以一工程实例对本发明的桁架式风机基础优化策略进行详细说明。

基于上述针对中等水深海域桁架式风机基础结构的多准则多参数优化策略，对某风电结构进行优化设计，从而验证该结构优化策略的实际效果。设计目标工程场址水深21m，50年一遇极端高潮位为+4.56m，50年一遇H

依据本发明桁架式风机基础优化策略，将各设计参数组合成一系列优化方案进行第1级检验，即分别进行静力分析和模态分析。在设计参数搜索过程中，按照逐级搜索策略，当优化方案无法通过控制准则检验时，整体模型中的桁架腿直径、撑杆直径和过渡段斜撑直径作为首先调整的设计参数，调整步长设为50mm。当改变整体结构设计参数仍无法使控制准则收敛时，进而调整桁架结构拓扑形式中的主腿斜度s和拓扑宽高比α，斜度调整步长设为2，宽高比调整步长随X型立面斜撑跨数变化。当改变桁架结构拓扑形式设计参数仍不能令控制准则收敛时，继续返回调整甲板尺寸中的梁尺寸设计参数，调整步长随型钢表增强/减弱一个型号确定。当改变甲板尺寸设计参数也不能使控制准则收敛时，最后调整过渡段拓扑形式中的斜撑表观倾角和桁架腿在甲板处间距，表观倾角的调整步长设为1°，桁架腿间距的调整步长设为0.5m。

图4中横坐标是优化阶数，即进行第1级检验的优化方案序号。右侧纵坐标是优化方案的1阶固有频率，左侧纵坐标是静力分析检验指标。第1级控制准则要求位移、杆件UC值和管节点IR值检验指标与1阶固有频率同时满足规范和风机厂商要求。由图可见，共有2个优化方案通过了第1级检验。这两个优化方案具有十分相近的结构型式，如图5所示。两优化方案各杆件尺寸完全相同，只有桁架腿斜度存在差异，方案1主腿斜度为10，方案2主腿斜度为12。

第2级检验是对通过第1级检验的优化方案进行疲劳分析。对于该风电工程场址海域，风电结构主要经历风激疲劳和波浪疲劳作用，在第2级控制准则检验中分别对两个优化方案进行风激疲劳分析和波浪疲劳分析。将风激疲劳与波浪疲劳损伤线性叠加，得到优化方案1结构最小疲劳寿命为525年，优化方案2结构最小疲劳寿命为562年，均满足疲劳寿命要求，可以通过第2级检验。

两个优化方案1和2均可以通过前两级控制准则检验，且两优化方案结构型式十分接近，结构各项指标均满足规范及设计要求。细致对比两方案，方案1在控制基础环顶水平位移方面更为突出，其余各项指标均相差很小，因此推荐优化方案1为该中等水深海域桁架式风机基础结构型式。

本发明优化方案桁架式风机基础模型及详细实施过程如图5所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。