考虑桩-土作用的风电整体自振频率获取方法和获取系统

本发明涉及计算机技术及海洋工程领域，具体涉及一种考虑桩-土作用的风电整体自振频率获取方法和获取系统。

背景技术：

1、海上风电建设仍将长期作为我国新能源行业发展、实现碳中和目标的工作重点，极具发展空间。海上风机整体自振频率需避免风机整体结构、风波浪以及风机叶片旋转的频率产生共振，故在设计过程中，需保证风机整体自振频率在f1p～f3p之间。单桩基础具有制作简单、施工便利、造价经济、设计过程简便等优点，在海上风电项目中得到广泛运用。海上风电机组下部桩-土作用在风机体系整体模态分析中扮演重要角色。

2、目前存在的桩基整体自振频率计算中，往往将下部桩-土作用简单考虑为euler-bernoulli梁和winkler地基的相互作用。该法适用于直径小于1m、地质条件简单的桩基础。对于直径大于5m的海上风电单桩基础，必须引入长期循环荷载影响、海床的复杂地质以及单桩的尺寸效应几个方面的影响因子。导致获取精度以及速率大大降低。

3、因此，本发明提出的一种全面考虑桩-土作用的风电整体自振频率快速获取方法，具有极大的现实意义与工程价值。

技术实现思路

1、本发明提供了一种考虑桩-土作用的风电整体自振频率获取方法和获取系统，以解决现有技术中对大直径风电整体自振频率计算精度低、速率低的问题。

2、本发明提供了一种考虑桩-土作用的风电整体自振频率获取方法，包括如下步骤：

3、步骤1：设置风机参数、桩身参数、各土层特征数据、桩顶各项荷载及边界条件；

4、步骤2：建立桩-土作用模型，其中，包括土体高周循环小应变模型；

5、步骤3：根据步骤1设置的各项参数及边界条件、步骤2建立的桩-土作用模型，通过hamilton原理、变分法、timoshenko梁及连续介质单元计算桩-土相互作用；

6、步骤4：将桩-土相互作用中的桩头转角与设置的风机正常运行容许值进行比较，

7、当桩头转角小于等于风机正常运行容许值时，通过桩-土相互作用中的桩头转角、桩头位移计算桩头等效刚度；

8、当桩头转角大于风机正常运行容许值时，对桩基尺寸进行增大，返回步骤2；

9、步骤5：对步骤4中获取的桩头等效刚度进行修正，通过修正后的桩头等效刚度对风电整体自振频率中的修正系数进行优化，获取风电整体自振频率；

10、步骤6：将步骤5获取的风电整体自振频率与风机固有频率进行比较，

11、当两者差值的绝对值小于等于风机固有频率的10％时，对桩基尺寸进行增大，返回步骤2；

12、当两者差值的绝对值大于风机固有频率的10％时，完成风机整体自振频率的获取。

13、进一步地，所述步骤2中，土体高周循环小应变模型的参数表达式为：

14、

15、

16、

17、式中，g0(l-1)表示第l-1个计算loop中，土体初始变形模量(kn/m2)；l＝1、2、3、…n；g0(l)表示第l个计算loop中，土体初始变形模量(kn/m2)，l＝1、2、3、…n；a为与土体有关的无量纲系数；f(e)为孔隙比e的函数；ocr为土体超固结率；k、m为无量纲系数；k(l-1)为第l-1个计算loop中土体剪切模量(kn/m2)；g(l-1)为第l-1个计算loop中土体变形模量(kn/m2)；σ1’(l-1)为第l-1个计算loop中土体主应力方向；rp为桩半径(m)；w为桩身水平变位(m)；r为径向坐标值(m)；θ为环向坐标值(rad)，φr、φθ和φz分别为r、θ和z方向上的土体位移衰减函数；c为土体粘聚力(kpa)；为土体内摩擦角(rad)；k0为静土压力系数。

18、进一步地，所述步骤3中，桩-土相互作用的公式为：

19、∫m(w)δwdz+∫p(ψ)δψdz+∫q(φr)δφrdz+∫r(φθ)δφθdz+∫s(φz)δφzzdz＝0

20、式中，m(w)为计算桩身水平位移w的控制方程；p(ψ)为计算桩身剪切角ψ的控制方程；q(φr)为计算r方向土体位移衰减函数的控制方程；r(φθ)为θ方向土体位移衰减函数的控制方程；s(φz)为计算z方向土体位移衰减函数的控制方程。

21、进一步地，所述步骤4、6中，通过如下公式对桩基尺寸进行增大：

22、d1＝d0+k

23、lp1＝lp0+k*lp0/d0

24、式中，d0、lp0分别为原桩身外径、原桩长；d1、lp1分别为增大后的桩身外径、增大后的桩长；k为可根据设计需求自设的桩基尺寸增大系数。

25、进一步地，所述步骤5中，通过修正后的桩头等效刚度对风机整体自振频率中的修正系数进行优化具体为：

26、

27、

28、式中，cl、cr为风机整体自振频率计算公式中的修正系数；ηl＝kllp3/(eiη)；ηr＝krlp/(eiη)；ηlr＝klrlp2/(eiη)；kl(kn/m)、kr(knm)和klr(kn)分别为桩头等效刚度中的泥面处平动、转动和耦合作用的三种弹簧刚度；eiη为基础上部结构等效抗弯刚度(knm2)；lp为桩的埋深(m)。

29、进一步地，所述步骤6中当两者差值的绝对值大于风机固有频率的10％时，还包括：获取桩基最终直径、最终埋深、最终壁厚及桩-土作用图形结果。

30、本发明还提供了一种虑桩-土作用的风电整体自振频率获取系统，适用于上述虑桩-土作用的风电整体自振频率获取方法，系统包括：数据预处理单元、目标函数构建单元、计算单元、结果输出单元；

31、数据预处理单元与目标函数构建单元连接，数据预处理单元用于设置供目标函数构建单元使用的风机参数、桩身参数、各土层特征数据、桩顶各项荷载及边界条件；

32、目标函数构建单元与计算单元连接，目标函数构建单元用于构建包括土体高周循环小应变模型的桩-土作用模型；

33、计算单元与结果输出单元连接，计算单元基于hamilton原理和变分法，运用timoshenko梁及连续介质单元理论计算和修正桩头等效刚度、风机整体自振频率；

34、结果输出单元用于输出风机整体自振频率、最终直径、最终埋深、最终壁厚及桩-土作用图形结果。

35、本发明的有益效果：

36、本发明在桩-土作用模型中引入土体高周循环小应变模型，并在模型基础上，基于hamilton原理和变分法，运用timoshenko梁及连续介质单元理论考虑桩周土体三维位移场，修正多层土中水平受荷下大直径单桩桩头等效刚度，优化考虑桩-土相互作用下的风电整体自振频率快速获取方法中的修正参数，使得桩头等效刚度获取更加准确，通过桩头等效刚度计算的风电整机自振频率更加准确。本发明采用优化后的获取方法既提升了计算结果的准确性和速度，又降低了模型的计算难度；与已有abaqus、flac3d及plaxis对比结果表明，本发明的误差可控制在5％以内，计算速度提高了50％以上。本发明考虑长期循环荷载影响、海床的复杂地质以及单桩的尺寸效应几个方面对风机整体自振频率的影响，能准确高效预测高周循环荷载作用下桩-土作用对整体风机频率的改变情况，并迅速确定单桩尺寸设计方案，与已有商业软件相比，该方法更紧凑，计算效率更高。