基于ANSYS零阶方法的海上风机单桩基础优化分析
基于ANSYS的风力发电机塔架门框的强度分析及优化
基于ANSYS的风力发电机塔架门框的强度分析及优化汪亚洲，黎旋（河海大学，南京210098）摘要：塔架支撑机组传递动力及载荷，是风力发电机组的重要零件，塔架的可靠性直接影响着整机的可靠性、可利用率及发电量。
由于塔架门框处受载情况复杂，工程中采用有限元法对塔架门框进行强度分析。
在ANSYS软件平台下建立了塔架门框的有限元分析模型，计算了塔架门框处的静强度，根据计算结果对塔架门框的尺寸进行了优化，优化后塔架门框的安全裕度有了显著提高。
关键词：风力发电；塔架门框；有限元；强度；优化中图分类号:TK83文献标志码:A文章编号：1002-2333（2019）09-0060-03 Strength Analysis and Optimization of Wind Turbine Tower-door Based on ANSYSWANG Yazhou,LI Xuan(Hohai University,Nanjing210098,China)Abstract:The tower support unit transmits power and load,which is an important part of the wind turbine.The reliability of the tower directly affects the reliability,availability and power generation of the whole machine.Due to the complicated loading situation at the frame of the tower frame,the finite element method is used in the project to analyze the strength of the tower door frame.The finite element analysis model of the tower door frame is established under the ANSYS software platform.The static strength of the tower door frame is calculated.The size of the tower door frame is optimized according to the calculation results.The safety margin of the optimized tower frame has been significantly improved. Keywords:wind power generation;tower frame;finite element;strength;optimization0引言塔架支撑机组用于传递载荷，是风力发电机组中的重要组成部件[1]，为了方便人员进出，在塔底需要开门框进行补强，由于此处为塔架最薄弱点，所以需要对塔架门框的强度进行校核。
海上风电场单桩基础施工技术方案研究
海上风电场单桩基础施工技术方案研究摘要：随着国内海上风电的开发，风电场建设各方面技术均日益成熟。
风机机组逐步大型化，风机基础随之呈现多样化趋势。
单桩基础为主流基础型式之一，国内针对大体型单桩基础的施工方案随着江苏、福建等海域的海上风电场工程的建设，进行了深入细致的研究，各种施工方案代表了目前国内近海海域单桩基础施工的先进施工思路与水平，船机设备的选择也符合目前国内现有大型工程船只的资源条件。
关键词：海上风电；单桩基础；浮式起重船近年来，国内海上风电建设飞速发展，风机基础型式多样化，目前已经应用的海上风电基础施工方案有单桩基础、多桩基础、重力式基础等，其中单桩基础因其结构简单、施工方便快捷、造价相对较低等优点，受到施工单位和建设单位的青睐，是目前海上风电基础的主要类型。
单桩基础由大直径钢管桩与附属构件组成，根据目前国内海上风电项目的最新数据获悉，单桩基础的钢管桩直径已达到8m以上，桩重则突破1500t。
钢管桩由液压冲击锤沉入海床，海上沉桩系统主要包括打桩船、运桩船、抛锚艇、拖轮与交通艇等船舶组合，其中以打桩船为主要施工设备。
施工前，需根据钢管管桩设计参数与海洋环境的特点对沉桩的各环节进行分析，选择合适的设备配置。
根据目前各海上风电场工程的实施，单桩基础包括非嵌岩桩和嵌岩桩两种情况，本文主要介绍非嵌岩单桩基础常规采用的浮式起重船施工方案。
1.船只设备的选择单桩基础常采用起重船配置打桩锤进行吊打施工。
大型浮式起重船在单桩基础施工中，主要承担单桩结构的起吊、立桩、进龙口、稳桩、定位等作业，吊打沉桩之前全部的准备工作将由其完成，因此对浮式起重船的性能要求很高。
如采用无法单独完成钢管桩空中翻身工作的全回转式起重船，则需配置辅助起重船，采用双船抬吊的方式完成管桩的空中起吊、翻身的工作。
辅助起重船可利用全回转起重船配合完成，主臂架操作灵活，便于与主起重船的协调配合进行空中操作。
2.锤击沉桩系统目前大型的海上打桩机械主要有筒式柴油打桩锤、液压打桩锤、液压振动锤三种型式，其中以柴油打桩锤应用最为广泛，但考虑到海上风电单桩基础钢管桩属于超长大直径钢管桩，承载力要求高，对锤击能力要求较高，同时采用吊打的沉桩施工方式，使用柴油锤需增加一定的临时设施才可以进行沉桩施工，降低了其使用优越性。
考虑冲刷情况下海上风电单桩基础优化设计研究
考虑冲刷情况下海上风电单桩基础优化设计研究杨少磊;马宏旺【摘要】冲刷是海上风电单桩基础设计中需要经常面对的问题,工程中一般采用冲刷保护装置或增加桩长来抵抗冲刷.但简单增加桩长是否经济合理,目前缺乏足够的研究分析.鉴于此,文中建立了考虑冲刷情况下海上风电单桩基础的优化设计模型,其中桩周土冲刷深度和范围以及桩-土相互作用根据DNV规范的公式进行计算.在优化过程中,以单桩基础最小重量为优化目标,以桩身强度和桩端转角为约束条件,以桩径、壁厚和桩长为优化参数,采用ANSYS APDL中OPTYPE的FIRST优化算法.并针对一实际工程案例,完成考虑冲刷和不考虑冲刷情况的优化设计.研究结果表明考虑冲刷发生情况下,适当增加桩径和壁厚比直接增加桩长更经济合理.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】7页(P74-80)【关键词】海上风电;单桩基础;结构优化;冲刷;P-Y曲线【作者】杨少磊;马宏旺【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院土木工程系,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院土木工程系,上海200240【正文语种】中文【中图分类】P752风能是世界上最清洁环保的可再生能源之一，自20世纪末以来逐步受到各国重视，对其研究投入不断增长。
海上风能资源丰富、空间区域广阔，自1991年丹麦建成了世界上首座海上风电场以来，海上风电场逐渐成为风力发电的开发重点[1]。
相比于陆上电场，海上风电场工程投资中土建工程量所占比重更高。
统计资料表明，土建工程造价在较深海域时约占海上风电场总造价的30%[2],故怎样在保证海上风电基础设计安全的基础下，降低建造成本是海上风电发展的一个关键问题。
目前，国内外已建成的海上风电场主要采用了以下几种基础形式：单桩基础、重力式基础、三脚架基础、导管架基础和承台式基础，其中单桩基础是应用最广泛的基础形式。
在海上风电单桩基础设计中，往往要遇到冲刷问题，冲刷会减少桩的入土深度，降低海上风电结构自振频率、增加结构位移，严重影响整体结构的使用性和安全性。
单桩式海上风力机支撑结构强度振动分析
单桩式海上风力机支撑结构强度振动分析杨大昱;袁奇;吴聪【摘要】ANSYS was adopted to build a 3D solid element model for a 2 MW offshore wind turbine. The analyses on modality, vortex-induced vibration and transient dynamic strength were performed. The results show that nonlinear spring elements are suitable for simulating the soil constraints and the 3D element model is more accurate than the beam element model in the intrinsic frequency and stress distribution calculations. The vibration due to sea currents will not cause resonance and the stress level of the support structure is mainly affected by the wind load. It appears that only load needs to be changed under different environmental conditions in using the present method.%以某型2MW海上风力机支撑结构为母型,运用有限元软件ANSYS建立了三维实体模型,并进行了模态、涡激振动及瞬态动力学等强度与振动特性分析.结果表明,非线性弹簧单元适用于模拟土壤对基础的约束,三维实体单元有限元模型在固有频率和应力分布计算上均比梁单元模型更为准确.在所提供的风况和海洋条件之下,海流涡激振动不会与支撑结构产生共振,支撑结构的应力水平主要受风载的影响,该结果可为海上风力机支撑结构强度与振动分析提供参考.针对不同环境,仅需调整载荷,所建模型宜可适用.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2012(046)007【总页数】6页(P26-31)【关键词】海上风力机;支撑结构;有限元;实体单元模型;强度振动【作者】杨大昱;袁奇;吴聪【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK83海上风力机一般包括风轮、机舱和支撑结构3大部分，支撑结构又分为塔架、下部结构和基础［1］.海上风力机按照基础类型大致分为单桩式、重力式、三脚架式和导管式［2］，其中单桩式应用最为广泛.海上风力机的支撑结构承受着来自风轮的风载荷及基础的水动力载荷，并通过基础与土壤的作用将载荷传递至海床，可见支撑结构的安全性对海上风力机的安全运行至关重要.许多学者对海上风力机支撑结构进行了详细研究，如：Bush等［3］采用非线性弹簧模拟了土壤对单桩式基础的侧向约束，比较了几种不同类型单桩的约束形式，揭示了分布式弹簧（Distributed Springs）约束形式的适用情况；Zhang等［4］采用梁单元、管单元对2.3MW 海上风力机支撑结构进行了建模，并运用非线性弹簧单元模拟了土壤约束，详细分析了支撑结构的静强度和动力学特性；Bir等［5］对不同基础类型的海上风力机进行了模态动力学分析，得出了分布式弹簧模型适于计算高阶模态的结论.上述研究均基于简单的梁单元有限元模型，忽略了较多的结构细节.本文为某型2MW单桩式海上风力机支撑结构建立了三维实体有限元模型，运用有限元软件ANSYS对强度振动特性进行了分析，最后与梁单元计算结果进行了对比验证，以证明实体单元模型的优势.用模态分析来确定设计结构的振动特性（固有频率和振型），是一种研究结构动力特性的常用方法.典型的无阻尼模态分析的基本方程如下式中：K为刚度矩阵；Φi为第i阶模态的振型向量；ωi为第i阶模态的固有频率；M 为质量矩阵.文中ANSYS模态采用分块Lanczos法［6］求解.某型2MW单桩式海上风力机支撑结构如图1所示，其中设计水深为20m，塔架与过渡段连接处的平台距海平面的高度为4m，单桩基础泥下部结构长为30m.支撑结构详细尺寸参数见表1.支撑结构实体单元有限元模型按图纸和设计规范建模，并且考虑塔架门框、法兰及壁厚变化处焊缝的细节，不考虑内部扶梯、平台等其他细节.塔架顶部用一集中质量点来模拟风轮和机舱的总质量，坐标为（－0.595 7，0，67.86 7），总质量为106.566t，Z方向的转动惯量IZ＝3 540 000kg·m2.塔架与过渡段连接处的平台用集中质量点连接，坐标为（0，0，0）.整个支撑结构采用实体单元建模，网格均为六面体，筒状结构（包括塔架、过渡段和桩基）沿壁厚方向划分成3层，以保证计算的准确性.有限元模型采用右手笛卡尔坐标系描述，支撑结构高度方向为Z轴正向，门框开口方向为X轴正向，波浪和海流沿X轴正向传播.模型中质量点与实体单元之间由刚性区域连接，实体单元之间采用GLUE方式粘接.本文土壤为砂性土壤，土壤参数随深度变化，见表2.为了真实地模拟海床对风力机基础的侧向约束，本文采用非线性弹簧单元COMBINE39对模型进行约束.图2为模型的约束示意图.图2中弹簧约束了XY平面内风力机基础的侧向运动，忽略了Z向沉降.弹簧刚度可通过土壤P-y曲线（桩侧土抗力－位移曲线）计算获得.式中：P为桩侧土抗力；Pu为深度z处的极限土抗力；A为考虑循环载荷或短期静载荷的状态系数，循环载荷时A＝0.9；z为泥下计算点深度；y为桩侧位移.本文根据土壤约束情况选择具有三维纵向拉压能力的COMBIN39单元来模拟弹簧约束，长度方向为拉伸压缩方向.COMBIN39单元的非线性特性通过定义力与变形的关系来确定.本文基础泥下部结构长30m，考虑1m高度用一组弹簧来约束（第1组弹簧位于泥下0.5m处，第2组位于泥下1.5m处，依次类推），每组弹簧由X、Y方向2个弹簧组成，基础泥下部结构共设30组.理论上，在基础高度方向上弹簧单元设置得越多，结果越真实，但建模和计算成本太大，所以最终确定1m 高度用一组弹簧约束.由式（2）计算得到的海床泥下0.5m深处土壤P－y曲线如图3所示.第1组弹簧及其余深度弹簧的非线性特性可以根据图3曲线定义.完成约束设置后，整个支撑结构的实体单元有限元模型如图4所示.模型总单元数为65 443，总节点数为326 231.砂性土P-y曲线计算式［7］如下支撑结构实体单元有限元模型的模态分析的前6阶计算结果如表3所示.表3中前2阶为支撑结构沿X、Y方向的一阶弯曲振动，第3、4阶为沿X、Y方向的二阶弯曲振动，第5阶为沿Z方向的扭转振动（通常不关注）.具体振型如图5和图6所示.为了验证实体单元模型模态计算结果的正确性，本文分别对比了相同单元、不同约束条件，以及不同单元、相同约束条件的计算结果.首先，选择实体单元模型，并对泥下部分基础分别施加非线性弹簧约束和全约束，其结果如表4所示.其次，分别选择beam188梁单元模型和实体单元模型，并对两者施加非线性弹簧约束，结果如表5所示.由表4可知，非线性弹簧约束计算得到的固有频率低于全约束结果，这是因为全约束的约束刚度无穷大，而实际中的土壤约束刚度不可能为无穷大，所以该计算结果低于全约束是正确且符合常理的.由此可见，非线性弹簧约束能较好地模拟土壤对基础的约束，相应刚度可通过P-y曲线计算得到.由表5可知，梁单元计算结果与实体单元十分接近，由于梁单元模型忽略了诸多结构细节，因此实体单元的计算结果更为准确.文献［4］中的2.3MW风力机支撑结构固有频率约为0.334Hz，文献［5］中的5MW 风力机固有频率约为0.251 3Hz，由于本文采用的是2MW风力机，其顶部风轮机舱质量较前两者略低，因此本文固有频率为0.372 9Hz，较前两者略高.已知风力机发电机转速为1 000～2 000r／min，风轮转速为9.615～19.230r／min，计算得到的发电机转动频率为16.667～33.333Hz，叶片1P转动频率为0.160～0.321Hz，3P 转动频率为0.481～0.962Hz.由于发电机转动频率明显大于支撑结构固有频率，所以校核主要针对风轮1P、3P激振情况进行.经计算知，风轮激振避开率均满足大于5%的要求［1］.海流流过单桩基础时，在基础下游两侧会产生旋涡，这些交错排列的旋涡称为卡门涡街.当旋涡脱落的频率接近支撑结构固有频率时，共振会发生，所以在设计中应予以注意.对于单桩基础而言，旋涡脱落频率式中：St为斯特劳哈尔数，是表征涡街发放频率的无量纲数；U为来流速度；D 为圆柱直径.由文献［8］可知，当Re大于3×106时，涡街发放处于超临界阶段，此时需重新建立准周期发放的涡街.本文研究的海域重现期为10a和50a，其海流表层流速分别为1.61m／s和1.94m／s，Re分别为6.08×106和7.32×106，均大于3×106，表明涡街发放处于超临界阶段，没有确定的St，因此需采用CFD方法来确定涡激振动的频率.海流涡激振动CFD计算采用ANSYS CFX软件进行，单桩基础直径D为4.3m，计算区域为二维矩形，大小为10D×20D，计算模型采用SST湍流模型，网格总数约2.9万，如图7所示.入口边界为速度边界，出口边界为压力边界，模型两侧为对称边界，单桩表面为无滑移壁面.在海流重现期分别为10a和50a的情况下，单桩基础升力、阻力系数随时间的变化如图8和图9所示.由计算结果可知：在10a一遇的1.61m／s海流流速下，涡激振动频率约为0.119 8Hz；在50a一遇的1.94m／s海流流速下，涡激振动频率约为0.147 3Hz.这2种情况下的涡激振动频率均与支撑结构固有频率（0.372 9Hz）相差甚远，所以共振不会发生.由于实际海流速度并非沿高度均匀分布，且连接塔架与下部结构的过渡段直径略大于单桩直径，因此实际涡激振动频率略小于数值模拟计算值.进一步分析计算可知，随着海流流速的增大，涡激振动频率呈上升趋势，但由于与支撑结构固有频率相差较大，所以共振不会发生.瞬态动力学分析是用来确定结构在任意时间随载荷变化的一种分析方法，也称为时间历程分析.通过瞬态动力学分析可以确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合下随时间变化的位移、应变、应力及受力.瞬态动力学基本运动方程为式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；¨u 为加速度向量为速度向量；u 为位移向量；F（t）为载荷向量.本文采用ANSYS瞬态动力学分析中的完全法（Full）对模型进行求解.瞬态动力学分析所采用的实体单元有限元模型与前述模态计算有限元模型基本相同，只是在塔架顶部和海床上部（此位置随波流载荷变化而变）增加了2个用于加载载荷的无质量点.支撑结构载荷包括风载和水动力载荷.风载为额定风速12m／s下的极限载荷，可由BLADED软件计算得出；水动力载荷又分为随机波浪载荷和海流载荷，可由Fortran编程计算得出.计算中用到的海洋条件有：重现期小于1a的海浪有效波高为2.25m，波峰周期为7.13s；重现期为10a的海浪有效波高为4.4m，波峰周期为8.1s，海流流速为1.61m／s.综合考虑计算时间和成本后，最终决定计算49.5s的载荷时间历程，其中载荷变化间隔为0.5 s，加载步数为100.载荷加载手段是在ANSYS中创建一个载荷表.对支撑结构模型分别加载重现期小于1a的波浪载荷和重现期为10a的波浪载荷时的计算结果如图10所示.从图10看出，随着波浪重现期的延长，应力逐渐提高，但波浪载荷对应力水平的影响较小，对于重现期为10a的波浪载荷，支撑结构的等效应力峰值仅在21MPa 左右，位于海底泥水面处.2种单元模型在考虑风、波、流联合作用时最大等效应力随时间的变化如图11所示.此时，模型承受的载荷为：12m／s风速下极限载荷、重现期为10 a的波浪载荷及海流载荷.从图11看出，实体单元模型的计算结果与梁单元计算结果十分接近，梁单元计算结果的平均值偏小.实体单元模型在风、波、流联合作用下的支撑结构等效应力峰值可达180MPa，该峰值在风、波、流平均载荷静强度计算值（约101MPa）上下波动.图12为2种单元在考虑风、波、流联合作用时的最大应力点的位置.从图12看出：实体单元模型最大应力点出现在塔架门框上方壁厚发生变化的焊缝处；梁单元模型的最大应力点位置位于过渡段与基础交界处；造成这种差别的原因是，梁单元模型过于简化，忽略了门框焊缝等易产生应力集中的细节.由此可见，实体单元模型能够更好地反映结构细节，计算结果也更接近真实情况.图11中的等效应力为交变应力，需要进行疲劳寿命分析，具体方法见文献［9］.S-N曲线可参考API RP 2A标准［10］，疲劳寿命损耗可依据Miner线性累计损伤理论计算获得.通过计算得到49.5s内的支撑结构疲劳寿命损耗约为0.007%，若机组一直承受此载荷，疲劳寿命期约为44a.该结果满足海上风力机的设计需求.由图11还可知，波浪载荷对整个支撑结构应力的影响较小，这种影响主要来自风载.若环境条件发生变化，利用本文模型时只需施加相应工况进行重新计算即可.本文运用实体单元有限元模型对海上风力机支撑结构强度振动特性进行了分析，并得出以下结论.（1）非线性弹簧单元适用于模拟土壤对海上风力机支撑结构基础的约束.（2）模态分析中实体单元的计算结果比梁单元更为准确.（3）经分析计算，文中某型海上风力机支撑结构不会与海流激振发生共振. （4）由于瞬态动力学分析中考虑了模型结构细节，所以实体单元模型计算结果更接近真实情况，且疲劳寿命满足设计要求.此外，一般环境下的支撑结构应力水平主要来自风载.（5）实体单元有限元模型在结果准确性方面更具优势，虽然占用的计算资源远大于梁单元模型，但计算机可满足该计算的需求.【相关文献】［1］Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH.GL wind 2005 Ⅳ：Part 2［S］.Uetersen，Germany：Heydorn Drukerei und Verlag，2005：28-29.［2］吴佳梁，李成锋.海上风力发电技术［M］.北京：化学工业出版社，2010：61－65.［3］ BUSH E，MANUEL L.Foundation models for offshore wind turbines［C／CD］∥47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 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海上风机桩式基础结构形式综合模糊优选
４ ０ 中国 工 程科 学
ｍ ＝１ ２ … ， ） ，， ｎ 。
设 ｍ 个 目标 集 Ｐ＝｛ Ｐ ， ， ｝ Ｐ ， … Ｐ 中包 含 有 ｇ 个 非结 构性 因素 （ 定 性 目标 ） 即 Ｃ＝ ｛。Ｃ， ， 或 ， Ｃ， …
ｃ｝ ｇ （ ≤ｍ） 。现研究 方 案集 Ｄ 中的方案 ｄ 与 ｄ（ 就 因素 ｃ 而言 ） 进行 “ 越 性 ” 优 的二 元 比较 ， 决 策集 得
海上 风能资 源 ， 盟最 早 在北 海 和 波 罗地 海 浅海 区 欧 域兴 建 了大 规模 的风 电场 ， 中桩 式结 构 是 最 常见 其
的风机基 础 结 构 … 。海 上 风 机 与 陆 地 结 构 相 比它 所处 的海洋 环境 十分 复 杂 和恶 劣 ， 高风 险高 投入 是 的工 程项 目， 如何 降低 海 上 风 电成 本是 当前 乃 至今 后海 上风 电发展 的 主要 目标 ， 中基础 结 构 被公 认 其 为造 成海上 风 电成 本 较 高 的主 要 因素 之 一 ， 对基 础 结构 进行优 化设计 十分必 要 。海 上风机 基础 的优化
［ 中图分类号 ］ Ｔ １ ［ Ｍ３５ 文献标识码］ 一 Ｏ Ｏ一 ７ ７２ ２ １ ） １ Ｏ４ ０
１ 前 言
受化石 能源资 源 日趋枯 竭 、 源供 应 安 全 和环 能 境压 力等 的驱动 ， 年来 世界 开始 重视 利 用 丰 富 的 近
的 ］ 。文章 将影 响基础 结 构选 型 的 模糊 因素 ， 据 根 模糊 数学 的隶 属 度 理 论 ， 用 非 结 构性 和 结 构 利
性决 策模 糊集分 析单 元 系 统理 论 进 行量 化 ， 用 多 应
目标 单元 系统模 糊优 选 模 型 ， 基 础 结 构形 式 方 案 对 进行 模糊综 合评 价和优 选 。
海上风力机单桩基础结构动力作用下的时程分析
海上风力机单桩基础结构在动力作用下的时程分析摘要：风能作为一种清洁永续的可再生能源，已经成为人类使用的重要能源之一。
我国海上风能丰富，发展海上风力发电是我国可持续发展战略之一，因此研究海上风力发电具有重大意义。
本文利用有限元分析软件ABAQUS对海上风力机单桩基础结构进行有限元模型的建立，并分析了其在动力荷载作用下的受力性能及结构响应。
利用时程法分析海上风力机单桩基础结构在动力耦合作用下的结构动力响应，得出相应的位移时程和应力时程。
结果表明，动力荷载作用下，其最大应力值小于材料屈服强度，结构具有充分的安全储备。
关键词：海上风力机；单桩基础；时程分析；ABAQUSAbstractWind energy is a renewable resource of clean and sustainable, it has become one of the important energy resource for human. The offshore wind energy in China is rich, and the development of wind power is one of the sustainable development strategy in China.So, there is great significance in the study of offshore wind power. In this paper，the institution of the finite element model of offshore wind turbine single-pile foundation, and the analysis of mechanical properties and structural response in dynamic load, it used the ABAQUS finite element analysis software.The dynamic respond of offshore wind turbine single-pile foundation under the coupled dynamic load was studied by the time-history analysis method, so we can reach the corresponding displacement schedule and stress schedule. The results show that, in the dynamic load, the largest stress of the structure is less than the material yield stress. In this case, the structure is in the elastic state, and it is full of the safe reserve.Keywords: offshore wind turbine; single-pile foundation; time-history analysis method；ABAQUS1 引言海上风力机单桩基础结构处于复杂的海洋环境中，受到众多海洋环境荷载的作用，诸如波浪荷载、冰荷载、风荷载以及地震作用等都是海上结构物典型的设计荷载。
海上风机单桩基础沉桩施工工艺与应用
海上风机单桩基础沉桩施工工艺与应用目录一、内容概述 (2)二、海上风机概述 (2)1. 海上风机的特点 (3)2. 海上风机的发展趋势 (4)三、单桩基础沉桩技术介绍 (5)1. 单桩基础的基本原理 (6)2. 沉桩技术的工艺流程 (7)四、海上风机单桩基础沉桩施工工艺 (8)1. 施工前的准备工作 (9)（1）施工队伍组织 (10)（2）施工设备的准备与检查 (11)（3）施工现场的勘察与布置 (12)2. 施工工艺流程 (13)（1）桩位的确定与布置 (14)（2）桩基础制作与运输 (15)（3）沉桩作业的实施 (16)（4）质量检测与评估 (17)3. 施工中的注意事项 (19)五、海上风机单桩基础沉桩施工应用实例分析 (20)1. 工程概况与地质条件分析 (21)2. 单桩基础设计与选型依据 (22)3. 施工过程描述与实施效果评价 (23)4. 经验总结与问题解决方案分享 (24)六、海上风机单桩基础沉桩技术的优化方向与建议 (26)1. 技术优化方向分析 (27)2. 施工过程中的改进措施建议 (28)3. 政策法规与行业标准的建议与期望 (29)七、结论与展望 (30)1. 研究成果总结 (31)2. 未来发展趋势与展望 (32)一、内容概述随着全球能源需求的不断增长，海上风电作为一种清洁、可再生的能源形式，得到了越来越广泛的关注和应用。
海上风机单桩基础沉桩施工工艺与应用是海上风电场建设中的关键环节，对于保证风电机组的安全稳定运行和提高风电场的经济性具有重要意义。
本文主要围绕海上风机单桩基础沉桩施工工艺与应用展开论述，包括沉桩施工的基本原理、技术要求、施工方法、质量控制以及实际应用案例等方面的内容，旨在为海上风电场建设提供科学、可行的技术支持。
二、海上风机概述海上风力发电作为一种可再生能源技术，在全球范围内得到了广泛的关注和应用。
海上风机作为海上风力发电系统的核心部分，其结构设计和施工工艺直接影响着整个发电系统的运行效率和安全性。
海上风电单桩稳桩平台研究
164研究与探索Research and Exploration ·探讨与创新中国设备工程 2019.01(上)我国海上风能资源非常丰富，具备大规模发展海上风电的风资源条件，在节能减排、能源短缺、能源供应安全形势日趋严峻的大形势下，海上风电作为典型清洁能源越来越受到重视。
单桩基础又在风电施工基础中占比最高。
现有的大型单桩基础直径为4.2~7m，平均桩长约60~92m，平均桩重550~900t。
单桩基础施工质量、垂直度控制等要求较高（平面度≤50cm，垂直度≤3‰）。
目前国内采用工艺辅助桩稳桩平台的方法解决超大型单桩基础的沉桩技术。
图1为工艺辅助桩稳桩平台结构，单桩基础沉桩作业开始前，先将稳桩平台3吊起放置在海底平面上，稳桩平台顶部突出水面约2m；然后使用振动锤将工艺桩2沉入海底至标高，再将稳桩平台3吊起离水面7~8m，并与工艺桩2固定连接。
上述作业完成后，将单桩基础1喂入稳桩平台抱桩器4内，抱桩器4内的液压千斤顶将单桩垂直度调整至达到要求后，使用液压冲击锤，将单桩基础1沉至标高。
图1 工艺辅助桩稳桩平台结构从图1可以看出，使用现有工艺辅助桩稳桩平台进行单桩基础施工稳桩作业，存在以下缺点：第一，水深加深时，稳桩平台的制作高度要增加，造成制作成本增加。
第二，工艺辅助桩需要振动锤沉桩，所以需要配置起重船和振动锤，增加了船机设备配置。
第三，稳桩平台与工艺辅助桩的固定，需要使用焊接工艺，工艺辅助桩拔起时，需要再将连接处割掉，整个过程繁琐，操作不便，耗时、耗人力，造成整体工效降低。
第四，稳桩平台移位需使用运输驳船。
为着重解决上述存在的四个方面的问题，在实现稳桩功能，保证单桩基础施工质量的前提下，研究设计了一种新结构型式的稳桩平台，解决以下技术问题：第一，能够根据水深变化，自动调节气隙；第二，平台桩腿能够自动入泥和上拔，减少船机设备使用，降低施工成本；第三，平台的操作及单桩基础垂直度的测量、调整和监控，均实现自动化操作和控制。
海上风电单桩基础结构设计关键问题探讨
海上风电单桩基础结构设计关键问题探讨摘要：单桩基础因其结构形式简单、施工技术成熟，在国内外海上风电场中均得到了广泛应用。
目前我国已建成的单桩基础风电项目大部分位于江苏沿海地区，这些地区的地基为软基。
关键词：海上风电单桩基础结构设计前言：海上风电与陆上风电最大的不同在于基础的不同，基础成本约占整个海上风电场投资的25%，因此降低基础成本有利于提高整个风电场的经济性，推动海上风电的发展。
欧洲已经为海上风电设计、施工了将近2000 台基础，其中70% 为单桩基础。
国内上海东大桥海上风电项目为高桩承台式基础，该基础现场作业时间长、工作量大、成本高。
一、海上风机基础分析海上风电机组的基础平台由油气工业中的海上采油平台形式发展而来，目前海上风力发电机组的基础有单桩、三脚架、导管架式基础、重力基础、负压桶基和浮动平台结构等几种。
每种基础都有其各自的优缺点，适应不同的海况条件，当设计开发大型海上风电场时，设计一种适合海上风机特殊要求和特定海况条件的基础能够节省前期投入。
虽然国外在基础设计方面有很多成功经验，但是国内缺乏海上风机基础设计经验，海上风机基础设计研究对推动我国海上风力技术的发展将起到至关重要的作用。
海上风机基础的设计是一个复杂的系统工程，涉及到海洋环境、港口航道、市场经济、海洋结构物的设计、近海桩基工程、海上风机基础特殊载荷、结构分析、基础与地基动力相互作用、风机一塔架一地基一基础系统分析等多个方面，包含众多的设计变量，不同的海上风场特性不同，如何处理其中的多种矛盾，做出合理的设计是很有意义的。
国内海上风机桩基础设计研究处于起步阶段，海上风机基础设计研究能够为将来海上风力发电提供参考，对将来进行海上风机基础结构优化设计提供借鉴，对中国海上风力发电事业的腾飞具有举足轻重的意义。
桩基础是目前国外海上风机普遍采用的一种相对成熟的基础形式，很多企业和组织在海上风机桩基础的设计和工程施工方面有丰富的经验，但是，各个风场的海况条件不同，结合海上采油平台的丰富经验，海上风机基础的设计优化空间还相当大。
海上风电大型单桩基础波浪疲劳分析
H1/3
γ= exp (5.75-1.15
Tp )；3.6< H1/3
1；5 < Tp
H1/3
Tp ≤5 H1/3
随机波浪及波浪谱是波浪疲劳计算的基础。
本文所述计算程序两者均能计算，本文以
主要是将波浪的随机特性按谱分析进行描述， 文圣谱为例。
得到该波浪的波浪力谱。
2) 波浪力谱
1) 波浪谱 根据我国现行《海港水文规范》[7]，我国
)
1 ω4
式中 ：CM 为惯性力系数 ；d 为水深 ；k 为波数 ； D 为直径 ；ρ 为海水密度。
拖曳力谱如下 ：
73 2021年06月 增刊1
水工技术 海上风电大型单桩基础波浪疲劳分析
Sf D (ω)=|Tf D (ω)|2Sη(ω)
|TfD (ω)|=φD
8 π
σ u|Tu (ω)|
波浪可视为一个平稳的随机过程，通过将 波浪谱视为多个线性波的叠加，以线性波理论
的波浪谱主要采用两种波浪谱—规范谱 ( 文圣 为基础，进行波浪谱分析得到应力与波高的频
谱 ) 以及修正的 JONSWAP 谱。 文圣谱的基本方程如下 ( 文中只列举了对
率响应函数 ( 传递函数 )，并按 Morison 理论得 到该波浪下的惯性力谱及拖曳力谱。[8] 通过得
修正的 JONSWAP 谱的基本方程如下 ：
S(ω)=
βJ
H2 1/3
ω4p ω5
exp(
-
5 4
(
ωp ω
) ) γ 4
ecp(-0.5(
ω-ωp σωp
)2
)
0.062 38 βJ = 0.230+0.033 6γ -0.185(1.9+ γ)-1 (1.094+0.019 15lnγ)
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用 。基 于 此 ．本 文 以ＡＮＳ ＹＳ 零 阶 优化 题 再进 行 优 化 ，即零 阶 方 法 式 ：
ａ ｒ ｉ ｎ Ｆ （ Ｘ ， ） ＝
法 对 海 上 风 电 单 桩 基 础 进 行了可 靠 性 方 法 为 理 论 基 础 ， 采 用ＡＮＳ ＹＳ 有 限 元 分析 ： Ａｇａ ｒ ｗａｌ Ｐ等 通 过 相 关 研 究 ， 软 件 ．对 海 上 风 机 单 桩 基 础 进 行 了尺
电 发 展 的 主 要 目标 。根 据 相 关 资 料 显 行 ，需 要 消 耗 大 量 的 人 力 资 源 和 设 计 它 优 化 工 具 和 方 法 直 接 生 成 ．或 随 机
示 ．基 础 成 本 约 占整 个 风 电 场 工 程 成 本的１ ５ ％－ ２ ５％，因此 设 计 安 全 、合 理 且 经 济 的 基 础 成 为 降 低 开 发 海 上 风 电 资源 成 本 的 关 键 问题 之一 。 关于 海 上 风 机 相 关 研 究 国外 学 者 做 得 较 多 ．由 于 造 价 低 、施 工 方 便 等 特 点 ，目前 ，海 上 风 机 单 桩 基 础 得 到 了广 泛 应 用 ． Ｙｏ ｏｎ Ｇ等 采 用 响 应 曲面
厂学 术 ］ ＬＡ ￣ Ａ ＆Ｍ Ｃ ＿ ＿ ｊ
基 于ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 零 阶 方法 的海 上 风 机 单 桩 基 础 优 化 分析
◎ 胡丹 妮 广 东 海 洋大 学 海 洋工 程 学 院 重 庆 交 通 大学 水 利 水 运 工 程 教 育部 重 点实 验 室
莫 彭 严 鋈 芬 谨 江西 省 港 航设 计 院 湖北 长 江 三江 港 区域 投 资开 发有 限 公 司 广 东海 洋 大 学 海 洋 工程 学 院
， ＋ ． ‘ ． ［ 喜 （ ） ＋ 姜 ６ （ 蜀 ） ＋ 喜 （ ＾ ） ＋ 砉 （ ” ） ］
式 中 ：Ｘ ｊ 一 设 计 变 量 ；ｇ ， 、ｈ ｊ、
大 多 数 的 工 程 问 题 。ＡＮＳＹＳ 零 阶 方
桩 基 结 构 设 计 进 行 了研 究 ； 按 照 设 计 法 建 立 在 目标 函 数 及状 态 变 量 的 近 似
规 范 要 求 ．我 国 海 洋 平 台结 构 采 用 重 基 础 上 ．在 设 计 初 期 需 要 一 定 的 初 始 复 “ 试 算 一 验 证 一 修 改 ”设 计 方 法 进 设 计 变 量 数 据 ，初 始 数 据 可 以根 据 其
风 机 基 础 优 化 设 计 方 法 ．后 期 还 借 助 有 限 元 软 件 对风 机 基 础 与上 部 灌 浆 连 接 段 进 行了优 化 ：郇 彩 云 对 海 上 风 机
进 行 迭 代 ，直 至 获 得 收 敛 解 。因 此 ， ： 采用Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 有 限 元 软 件 模 拟 了某 海 上 风 机 单 桩 基 础 ， 考 虑风 、 波浪 、 海流等环 境 荷载 的 共 同作 用 对 风 机 基 础 进 行 了拟 静 力 分 析 ，基 于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 零 阶 优 化 方 法 对 桩 基 尺 寸 进 行 了优 化 。 在 保证 位移 、 应 力及稳 定性 要求 的前 提下， 减／ Ｊ ＼ 了桩基 壁 厚 ， 优化 后使 桩 基 的总体 积减 ， ｊ ＼ 了３ ３ ． ４ ％ ， 达 到 了轻 型 化设 计 目的； 结合 优化 过 程中 目标 函数、 设计 变量和 状 态 变量 的变化 规律 ， 提 出了桩 顶 位 移 是 优 化 设 计 的 主 要 限 制 条 件 ，结 构 设 计 时 可 以 考 虑 进 行 形 状 拓 扑 优 化 ； 在保 证桩 顶位 移 的情况 下， 可 以适 当减 小桩 基 础 某些地 方 的壁 厚， 使材 料 的强 度得 到充分 的利 用。 关键词 ： 海上 风机 单桩基 础 零 阶优化 方 法 尺寸优化
时 间 ．所 得 到 的 设 计 方 案 也 不 一 定 是 生 成 。零 阶 方 法 在 初 始 数 据 中 进 行 一
最 好 的 或 最 优 的 ，在 海 上 风 电场 的 设 定 次 数 的 抽 样 ，拟 合 因 变 量 和 目标 函 计 过 程 中 需 要 引 入一 个 有 力 的 辅 助 工 具 进 行 优 化 设 计 ．严 云 对 基 于 ＡＮＳ ＹＳ 数 的 响 应 函 数 ，从 而 寻 求 最 优 解 ，故 又 可称 其 为 子 问题 方 法 。 优 化 问 题 求 解 时 ，近 似 化 处 理 目
参 数 化 设 计 语 言 的 结 构 优 化 设 计 方
法 进 行了研 究 ：ＡＮＳＹＳ零 阶 优 化 方 法 标 函数 与 状 态 变 量 公 式 ， 将 有 约 束 的 已 在 机 械 结 构 尺 寸 优 化 方 面 得 到 了应 问 题 通 过 罚 函数 转 换 为 没 有约 束 的 问
海 上 风 力 发 电 作 为 当 前 提 倡 的 低 碳 经 济 发 展 项 目之 一 ．近 几 年 在 我 国 发 展 十 分 迅 猛 。与 陆 上 风 力发 电 相 比 ．它 所 处 的 海 洋 环 境 十 分 复 杂 和 恶 劣 ，是 高 风 险 投 资 的 项 目 ，如 何 降 低 海 上 风 电 成 本 是 当前 乃 至 今 后 海 上 风
提 出利 用 结 构 可 靠 度 原 理 可 以 提 高 海 寸 优 化 ．并 对 优化 结 果 进 行 了分析 。
上风 机设计计 算效率 ： Ｔｏ ｒ ｃｉ ｎａ ｒ ｏ Ｍ ＡＮＳ ＹＳ零 阶 方 法 原 理 等 考 虑 海 上 风 机 支 持 结 构 对 应 的 环 １． 境荷 载 极 限状 态 ． 提 出了一 个 初 步 设 零 阶 方 法 仅 需 要 因 变 量 的数 值 ，