海洋风电支撑结构的随机性动力优化设计

海洋风电支撑结构的随机性动力优化设计

发表时间：2018-05-21T16:00:37.530Z 来源：《基层建设》2018年第5期作者：刘炳辰

[导读] 摘要：二十一世纪以来，我国的社会主义经济和科学技术水平得到了很大的发展和进步，对于能源的获取和使用方式也有了很大的改善。

上海振华重工（集团）股份有限公司上海 200125

摘要：二十一世纪以来，我国的社会主义经济和科学技术水平得到了很大的发展和进步，对于能源的获取和使用方式也有了很大的改善。随着我国科技水平的提高，对于海洋和天空的勘探与开采也提高了很大的工作力度。就海洋风电支撑结构而言，与陆地风电相比较而言，海洋锋利支撑结构成本较大，风电支撑结构受到了诸多因素的影响，给支撑结构的维护和施工费用增加了很大的成本。所以在进行设计过程当中，应当对支撑结构进行全面细致的考虑，提高风电支撑结构的可靠性和安全性，并且在此基础上实现节约成本的目的。

关键词：随机性动力优化；海洋风电；支撑结构；设计

从目前的情况来看，海洋风电具有高速稳定的特点，并且具有丰富的资源，占有空间较小，环保功能极高，以此受到了国家和有关企业的高度重视，并且在近些年当中取得了飞速的发展和进步。经过有关专家和学者的调查研究发现，与陆地相比，海上的风速较快，通过海洋风力发电能够使发电量得到有效的提高，进而可以满足当今时代国家发展和人民日常工作生活的基本需求，对促进国家的发展和进步具有十分重要的意义。

1海洋风电支撑结构概述

从目前的情况来看，海洋风电支撑结构已经衍生出很多的类型，不同的类型具有不同的结构特点和固定方式，所使用的施工材料也存在着很多的不同，需要对其进行细致的划分。通常情况之下，对于海洋风电支撑结构从总体上可以分为重力基础结构、桩基结构、锚泊浮式结构以及桩裙筒型结构。就固定式支撑结构而言，大致可以分为四种类型，重力基础结构、单桩结构、导管架结构以及三桩结构。

一般情况下，桩基结构用于单桩结构、导管架结构以及散装结构，利用焊接和水力锤把桩固定在海床之上，这种方式是当前海洋风电最为普遍的基础结构。与桩基结构限制平台水平和垂直运动有所不同，重力基础结构主要是从整体上对海床的升沉运动进行适当的调整，主要的工作机理是通过压载物的重力负载来保证结构的稳定与平衡，并且将岩石、铁矿石、混凝土等物质填充到压载物当中。

2海洋风电载荷分析

2.1海洋环境载荷

影响海洋结构的主要因素主要包括海风、海流以及海浪等，有些特殊的地域甚至会受到内波、地震或者是冰载的影响。在进行波浪作用的计算之时，应当先确定进行设计所依据的波浪要素，其中包括：波长、波高以及周期等，同时也要对波浪下的整个流场进行确定，其中包括加速度分布、水分子速度等因素。首先，将所选建设地点的海洋环境作为根本依据，对相关的波浪参数进行统计，将统计结果作为设计波的波浪要素值。再根据选定的波浪理论确定加速度分布和水分子速度等。最后，再利用有关的公式和方式计算出风电塔柱上的流体动力载荷。

2.2地震载荷

很多时候，发生地震的原因主要来自于海底板块移动错位。从地理的角度来讲，我国的沿海地区大多处于地震的多发地带。根据我国有关研究单位的材料显示，我国的渤海以及台湾东部和西部以及东南沿海都处于地震带之上，我国海洋风电大多处于前文所描述的位置，所以在进行海洋风电载荷的过程当中，一定要将地震对支撑结构的影响进行充分的考虑。如果支撑结构所处的环境地震强烈，可以允许该结构存在部分塑性状态，受到一定程度的破坏，但是不能完全损坏或者是倒塌。所以，在进行设计的过程当中，应当将抗震能力的设计工作考虑在内，对于支撑结构的动力可靠性具有非常重要的意义。同时，由于地震负荷并不是常见的环境影响因素，所以在进行载荷组合的计算工作当中，可以不必将地震载荷因素融入到组合当中。

2.3风载荷

在进行海洋风电支撑结构的随机性动力优化设计工作之时，应该将筒顶部与整个机舱和叶片等部位进行连接。叶片由于风力的作用进行发电之时，机舱内部会出现相应的非线性时域载荷，并将载荷传递到塔筒，再利用相应的软件对机舱和叶片进行模拟试验，从而能够获取风力发电机在正常工作的状态之下的载荷数据。风能的总能量主要包括极重力势能、动能以及静压能，按照伯努利得出，流体的总能量不变，当气流靠近风轮的附近之时，速度和动能减小，静压增加，在风轮前达到最大值，从而使得风轮能够获取到气流当中的最大能量。 3海洋风电结构动力分析

3.1海洋风电动力分析现状

从目前的情况来看，对于海洋风电动力的分析仅仅只是局限于元模型，主要是进行模态分析和时域响应分析，对于很多结构的动力分析方法大致相同，海洋风电的特殊性主要来自于支撑结构受力情况过于复杂，风力发电机对于支撑结构产生极大的影响，造成严重的振动现象。有关专家通过空气动力仿真软件对陆上风电设计分析的基础，针对海洋风电设计增加了新的功能，使之能够不规则波或者是规则波作用之下支撑结构运动与风机之间的耦合效应。有些专家和学者还对风浪作用下浮式风电系统的耦合动力进行了分析和探索，并且通过对模态进行分析，对这种耦合作用的过程进行了明确的分析和解释。

3.2三脚架结构模态分析

在海洋风电支撑结构当中，三脚架结构是比较常见的一种结构方式之一，在进行随机性动能优化设计工作的过程当中，对于塔架整体的刚度应该进行充分的考虑，对其进行高度的重视，从而能够防止支撑结构在载荷的作用之下出现严重的形变，使得刚度受损，降低整个支撑结构的安全性和稳定性。因为风轮会受到不同方向的外力而产生周期性的动载荷，这是塔架振动的主要原因之一，因此要求塔架系统的固有频率需要与风轮转动的频率相区分，也不能与之成为整数倍的关系，从而能够避免塔架承受的交变载荷所可能造成的风电机组系统出现共振的情况。所以，要对塔架结构进行全面仔细的模态分析。

3.3海洋风电支撑结构随机性动能优化设计

对风电支撑结构的随机性动力进行优化的主要目的在于满足各种约束条件的前提下，找到最为有效的设计变量，从而导致目标函数呈现最佳的状态。在这当中，如果把经济性能作为目标函数进行优化设计一般能够把结构尺寸降到最低，同时也可以使和工作性能有关系的函数值处于临界状态，这种设计方法非常危险。原因在于，在实际工作过程当中优化设计种的设计变量和外部变量通常会存在一定的不确