一种预测最坏工况下海洋打桩系统的有限元分析方法

摘要

本发明公开了一种预测最坏工况下海洋打桩系统的有限元分析方法，属于振动冲击研究技术领域，包括以下步骤：预处理：将构成打桩系统的各个部件构建3D模型并装配；前处理：将打桩系统的3D模型进行网格划分，依据物理模型设置各部件的材料属性并进行边界条件、接触类型、冲击载荷的设置；求解：根据建立的有限元模型，进行显式动力学求解；后处理：将所获得求解结果进行输出，本发明对大型海洋打桩系统进行有限元建模和仿真分析，采用显示动力学进行计算，具有稳定性高、计算速度快等优势，并可以获得各部件和不同单元的动力学响应，可实现对打桩过程的模拟观测，为工程应用提供理论基础，适合推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及振动冲击研究技术领域，更具体地说，涉及一种预测最坏工 况下海洋打桩系统的有限元分析方法。

背景技术

随着桩基础工程的规模化发展和海洋工程的深水化发展，沉桩技术和施 工机械设备也在不断发展，作为主要的桩基础施工机械设备之一，海洋打桩 锤可以根据施工条件合理调节冲击力大小，适用性好，效率高，因此被广泛 应用于风电安装等大型海洋桩基工程项目中。

但随着海上风力发电需求的增大，桩基直径也逐渐增大，从而对于打桩 系统有了更高的要求，为保证打桩的顺利进行，需要替打、替打环部件实现 缓冲效果的同时保证质量和传递效率的要求。

因海洋沉桩项目耗资巨大，实验较困难，所以可先进行仿真建模研究， 为具体工程提供理论基础，通过模拟数据的输出，反向指导打桩系统各部件 的在极端情况下的设计参数修改，能有效避免设计缺陷，为此我们提出一种 预测最坏工况下海洋打桩系统的有限元分析方法。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种预测最坏工况 下海洋打桩系统的有限元分析方法，可以对大型海洋打桩系统进行有限元建 模和仿真分析，采用显示动力学进行计算，具有稳定性高、计算速度快等优 势，并可以获得各部件和不同单元的动力学响应，如加速度、速度、位移、 冲击力、应力、应变等，从而可实现对打桩过程的模拟观测，为工程应用提 供理论基础，具有广泛的应用前景，适合推广应用。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种预测最坏工况下海洋打桩系统的有限元分析方法，具体包括以下步 骤：

S1、预处理：根据现有打桩系统的组成部件及各部件间的尺寸需求，将 构成打桩系统的各个部件(锤、替打、替打环、桩)构建3D模型，并进行装 配；

S2、前处理：将打桩系统的3D模型进行网格划分，依据物理模型设置各 部件的材料属性，并进行边界条件、接触类型、冲击载荷的设置；

S3、求解：根据建立的有限元模型，进行显式动力学求解；

S4、后处理：将所获得求解结果进行输出，以提取加速度、速度、位移、 力、应力、应变等相应参数，对打桩过程进行分析，并进行反推计算。

进一步的，在步骤S1中，为了简短有限元模型的求解时间，3D建模时锤 和替打直接接触，二者之间的距离为0。

进一步的，在步骤S2中，采用hypermesh软件进行网格划分，对于结构 简单的锤、替打环和桩，直接采用切分映射的方式划分，对于结构复杂的替 打结构，首先切分成可映射的两部分，然后对每一部分单独划分网格，先划 分面网格，再将面网格扫略，最后进行复制映射，各部分网格划分结束后， 进行整体连接操作。

进一步的，所述网格类型为六面体网格。

进一步的，在步骤S3中，接触类型选择面面接触，共3个解除对，分别 为锤—替打接触对、替打—替打环接触对、替打环—桩接触对；为获得最坏 工况下各部件的动力学响应，边界条件设置为桩底端固定约束；初始条件根 据最大冲击能量3500KJ，根据动能公式直接换算为锤的初始速度为6.325m/s。

进一步的，所述锤的初始速度的计算公式为

进一步的，在步骤S4中，所述反推方式为利用桩顶受压冲击后产生应力 波传递时域峰值间的时间差反推出桩体理论长度，并与桩体的实际长度进行 对比，所述反推计算公式为：

进一步的，所述反推计算公式中e为材料的弹性模量，ρ为材料的密度， c为波速，Δt为桩顶受压冲击后产生应力波传递时域的两峰值间的时间差。

进一步的，在步骤S2中，通过hypermesh软件对打桩系统的3D模型进 行网格划分。

进一步的，在步骤S3中，所述显式动力学求解采用LS-DYNA软件进行求 解。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明可对大型海洋打桩系统进行有限元建模和仿真分析，采用显示动 力学进行计算，具有稳定性高、计算速度快等优势，并可以获得各部件和不 同单元的动力学响应，如加速度、速度、位移、冲击力、应力、应变等，从 而可实现对打桩过程的模拟观测，为工程应用提供理论基础，具有广泛的应 用前景，适合推广应用。

附图说明

图1为本发明最坏工况下海洋打桩系统动力学响应有限元分析方法的流 程图；

图2为本发明的打桩系统的结构示意图；

图3为本发明的打桩系统的网格单元划分图；

图4为本发明打桩系统在0.0015986s时刻的应力云图；

图5为本发明各部件位移结果图；

图6为本发明各部件加速度结果图；

图7为本发明为桩顶测量点位置示意图；

图8为图7中桩顶测量点速度结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶 /底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为 了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具 有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相 对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连 接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械 连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情 况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-8，一种预测最坏工况下海洋打桩系统的有限元分析方法，具 体包括以下步骤：

S1、预处理：根据现有打桩系统的组成部件及各部件间的尺寸需求，将 构成打桩系统的各个部件(锤、替打、替打环、桩)构建3D模型，其中桩径 按实体尺寸设置为8.8m，桩长按实体尺寸设置为70m，然后将各部件进行装 配；

S2、前处理：利用hypermesh软件对打桩系统的3D模型进行网格划分， 较复杂的结构需要先进行切分再进行映射操作；依据物理模型设置各部件的 材料属性，锤质量为175t，替打质量为250t，替打环质量为150t，桩质量为 2000t；根据最坏工况为桩的贯入度为0，设置边界条件为桩底部固定约束； 设置锤—替打、替打—替打环、替打环—桩三对面面接触；液压锤的最大冲 击能量为3500KJ，根据牛顿定律计算得

式中E为锤的最大冲击能量，m为锤的质量，所以赋予锤6.325m/s的初 始速度；另外全系统设置重力加速度；

S3、求解：在LS-DYNA中求解，根据建立的有限元模型，进行显式动力 学求解；

S4、后处理：将所获得求解结果进行输出，以提取加速度、速度、位移、 力、应力、应变等相应参数，对打桩过程进行分析，并进行反推计算。

具体的，请参阅图4-8，分别提取了部件的加位移、加速度结果图、桩顶 单元的速度结果图以及打桩系统在0.0015986s的应力分布云图；

打桩过程中应力的传播符合波动理论，用波动方程法分析沉桩过程可以 得出桩单元的应力变化规律，桩受到周期性锤击后产生应力波，应力波在桩 的边界上发生反射，使应力波在桩内部继续传播，因此在桩内部不断有应力 波传递，桩上任意一点的运动是下行波和上行波的叠加结果，同时应力波向 下传递并会在桩底和桩顶边界产生反射和透射，因此桩内任意一点的应力呈 现拉压波动的状态，可根据以下公式对桩长进行计算，从而验证仿真结果的 准确性。

式中e为材料的弹性模量，ρ为材料的密度，c为波速，Δt为图8所示两 峰值之间的时间差。

由图4-8可知和材料参数设置可知，E＝200GPa， ρ＝1471.8kg/m

具体的，请参阅图2-3，在步骤S1中，为了简短有限元模型的求解时间， 3D建模时锤和替打直接接触，二者之间的距离设置为0，实现3D模型的构建；

具体的，在步骤S2中，采用hypermesh软件进行网格划分，锤、替打环、 桩结构较简单，直接采用切分映射的方式划分；而替打结构较复杂，不可以 直接映射，首先切分成可映射的两部分，然后对每一部分单独划分网格，先 划分面网格，再将面网格扫略(map)，最后进行复制映射(duplicate reflect)， 各部分网格划分结束后，进行整体连接(equivalence)操作，网格类型为六面 体网格。

具体的，在步骤S3中，接触类型选择面面接触，共3个解除对，分别为 锤—替打接触对、替打—替打环接触对、替打环—桩接触对；为获得最坏工 况下各部件的动力学响应，边界条件设置为桩底端固定约束。

本发明可对大型海洋打桩系统进行有限元建模和仿真分析，采用显示动 力学进行计算，具有稳定性高、计算速度快等优势，并可以获得各部件和不 同单元的动力学响应，如加速度、速度、位移、冲击力、应力、应变等，从 而可实现对打桩过程的模拟观测，为工程应用提供理论基础，具有广泛的应 用前景，适合推广应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不 局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根 据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明 的保护范围内。