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CN113239483B - 一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法 - Google Patents

一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法 Download PDF

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CN113239483B CN202110462452.1A CN202110462452A CN113239483B CN 113239483 B CN113239483 B CN 113239483B CN 202110462452 A CN202110462452 A CN 202110462452A CN 113239483 B CN113239483 B CN 113239483B
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Abstract

本发明公开一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，在已给出全场设计的情况下，进行降本优化设计给出实施流程和技术手段，根据实际项目已有设计控制因素，采用①选用合适机位点及其风参、水深、地勘参数、②一体化载荷、③优化控制策略、④提高阻尼比、⑤阻尼器、⑥采用新型射钉连接、⑦泥面累积变形算法、⑧大直径桩土效应、⑨调整塔架构型、⑩调整塔架、基础直径和根开、
Figure DDA0003042791890000011
放开频率范围至1P和3P控制、
Figure DDA0003042791890000012
地勘参数精细化处理、
Figure DDA0003042791890000013
增大径厚比、
Figure DDA0003042791890000014
缩短桩长等多种技术手段进行针对性的改进和迭代设计，能站在寻找全局最优设计进行机组‑控制‑塔架‑基础一体化设计，可以有效降低支撑结构设计载荷，减少支撑结构造价，降低海上风电度电成本。

Description

一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法
技术领域
本发明属于海上风力发电机组支撑结构设计技术领域，特别涉及一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法。
背景技术
海上风电资源储量丰富，规模潜力大，电能品质较优，靠近负荷中心，近海水深5～25m和25～50m海域内100m高度风能资源技术开发量分别为2.1亿kW和1.9亿kW，可作为承载我国能源结构转型的重要战略支撑之一。然而，海上风电发展面临降本压力，距离平价有较大距离。从目前来看，现有海上风电产品及技术实现平价难度大，新增招标增量有限，新增装机量下降。这要求整个行业打破技术壁垒，实现产业链协同，将实际项目的工程经验加快技术创新，最终达到实现海上风电平价上网的目的。
海上风电投资总成本中，风机支撑结构(包括塔架和基础)约占22％左右，降低海上风电支撑结构成本能够有效降低度电成本。当前海上风电项目中，在招主机标时会对风机厂商提供的基础顶载荷和塔架质量进行评分，在招设计标时很少对设计院提供的基础质量进行评分；标后详细设计阶段时风机厂商和设计院依次分别对塔架和基础进行优化设计。在此过程中，风机厂商与设计院没有采用一体化试验设计方法，因此在实际工程项目中出现了塔架很轻，基础却很重；整体支撑结构频率下限由非1P、3P频率决定的载荷适用频率范围控制；塔架分段都是锥段设计，导致设计院需要加粗单桩直径来补偿频率达到下限要求等现象。这都造成了业主需要付出更多不必要的成本。
2012年，Rad Haghi等人对西门子海上SWT3.6-107机型的塔架和单桩基础的壁厚同时进行优化，以整体支撑结构的质量最小为目标函数，以结构的局部和整体屈曲、频率和疲劳损伤为约束，最终达到了12.1％的减重成果。2012年，T.Fischer等人在德国北海某项目中以降低支撑结构气动载荷为目标函数，通过优化控制策略降低支撑结构疲劳载荷，使整体支撑结构减重9％。2017年，Theo Gentils等人采用有限元方法对支撑结构进行分析，研究结果表明疲劳和频率是主要的控制约束，通过遗传算法对支撑结构的几何参数进行优化可以达到减重19.8％的成果。
也有科研人员从结构角度更利于进行优化设计。2014年，赵向前等人提出在机组与基础一体化设计中，从整体设计、优化控制策略、优化叶片和放宽频率约束开展工作，有望实现10％的成本降低。2016年，张博等人研究了海上风机一体化载荷仿真方法，对比了半一体化和一体化载荷仿真的差异，通过设计案例验证了一体化载荷仿真方法可以有效优化基础设计，降低风电场造价。2019年，田德等人考虑基础对极限设计载荷的影响，在考虑基础柔性条件下以最小化结构重量为目标对某5MW近海单桩式风电机组支撑结构进行优化，总体重量降低了7.14％。2019年，周昳鸣等人对比了整体优化设计方法与分步迭代设计方法的流程和优化列式，把设计域扩大到整体支撑结构寻找全局最优的设计。
但是，以上研究工作没有针对国内海上风电行业的分工综合了环境参数精细化处理，机组-控制-塔架-基础一体化设计，标准规范参数改进形成系统性方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于代理模型的海上风机支撑结构优化设计方法，满足并完成对工程项目降本创新和成果申报的需求，突破海上风机-塔架-基础一体化优化设计技术，解决了支撑结构分割孤立设计的难题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1，确定机位点环境参数；
步骤2，判断所述机位点的水深和地基刚度在其所处的风场或所在分区的位置是否达到预设点位，若否，执行步骤3；若是，执行步骤4；
步骤3，根据海上风机支撑结构的施工顺序、机位点的水深以及地质条件信息，执行①更新机位点及其环境参数后返回步骤1；
步骤4，分析海上风机支撑结构当前设计中极限强度、疲劳强度、变形要求、频率要求以及径厚比和桩长是否小于设定值；若是，则执行步骤11，若否，则执行步骤5；
步骤5，判断极限强度是否为单一控制因素，若否，则执行第6步；若是，则采用②一体化载荷和/或③优化控制策略方法优化，执行第10步；
步骤6，判断疲劳强度是否为单一控制因素：若否，则执行第7步；若是，则采用②一体化载荷、③优化控制策略、④提高阻尼比、⑤阻尼器和⑥采用新型射钉工艺的方法优化，执行第10步；
步骤7，判断变形要求是否为单一控制因素：若否，则执行第8步；若是，则采用②一体化载荷、③优化控制策略以及⑦泥面累积变形算法进行优化，执行第10步；
步骤8，判断频率要求是否为单一控制因素：若否，则执行第9步；若是，则采用⑧大直径桩土效应、⑨调整塔架构型、⑩调整塔架、基础直径和根开、
Figure BDA0003042791870000031
放开频率范围至1P和3P控制以及
Figure BDA0003042791870000032
地勘参数精细化处理的方法进行优化，执行第10步；
步骤9，判断径厚比和桩长是否为控制因素：若否，则执行第11步；若是，则通过
Figure BDA0003042791870000033
增大径厚比和
Figure BDA0003042791870000034
缩短桩长的方法进行优化，执行第10步；
步骤10，进行载荷-控制-塔架-基础整体化设计；
步骤11，得到设计结果，设计结束。
第10步载荷-控制-塔架-基础迭代设计流程，包括以下步骤：
S1，根据塔架构型、塔底和单桩直径预估载荷；
S2，给出塔架和基础的初始设计，包含分段、直径、壁厚以及对齐方式，所述对齐方式为外径对齐、内径对齐或中径对齐；
S3，使用Bladed进行一体化建模并进行一体化载荷计算；
S4，同步进行塔架结构设计优化和基础结构设计优化；
S5，检查是否满足收敛准则，收敛准则主要包括：机组适应性，包括叶片、主轴承、变桨轴承、偏航轴承、发电机以及底座的极限和疲劳强度；相邻两次所得支撑结构频率差是否在1％以内，相邻两次所得支撑结构质量差异是否在1％以内；
S6，如果满足收敛准则，则迭代设计结束；如果不满足，则对控制策略、塔架和基础结构进行整体优化设计，并把优化后的结果返回S3，优化列式如下：
Figure BDA0003042791870000041
其中，[x1,x2,x3...]为塔架壁厚、单桩壁厚、偏航、变桨及转矩控制策略参数；m塔架+单桩为塔架和单桩的总质量；
S7，迭代设计结束，输出响应值，所述响应值包括塔架质量、单桩质量、频率、塔底极限和疲劳载荷。
使用Bladed进行一体化建模并进行一体化载荷计算时，一体化建模时包括环境条件输入和支撑结构模型搭建两方面，其中，环境条件输入包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况，特殊工况包括海冰、地震或台风；支撑结构模型包括机头、塔架以及基础，其中，基础包括泥面以下部分。
所述优化方法中：①更新机位点及其环境参数、③优化控制策略以及⑨调整塔架构型的措施适用于所有海上风机。
所述优化方法中：②一体化载荷适用于水深大、波浪力大的服役条件，⑨调整塔架构型措施适用于所有基础结构。
所述优化方法中：⑩调整塔架、基础直径和根开措施适用于水深较大、结构直径和刚度不均匀变化的工况，
Figure BDA0003042791870000051
放开频率范围至1P和3P控制适用于控制因素为主机厂给出的频率范围，且比规范给出的[1P×110％，3P×90％]更窄的工况，
Figure BDA0003042791870000052
地勘参数精细化处理的措施适用于结构受频率控制的工况。
所述优化方法中：⑤使用阻尼器适用于结构受到疲劳控制，采用一阶和二阶阻尼器降载，⑥采用新型射钉连接的措施适用于塔架全部受到疲劳强度控制的工况，
Figure BDA0003042791870000053
增大径厚比的措施适用于单桩的壁厚由构造要求控制，通过增加D/t减少壁厚，
Figure BDA0003042791870000054
缩短桩长的措施适用于对桩长进行鲁棒性设计的工况。
所述优化方法中：④提高阻尼比的措施适用于结构由疲劳控制的场景，⑦泥面累积变形算法的措施适用于由泥面转角控制的场景，采用泥面累积变形算法结合极限强度和疲劳强度降载；⑧大直径桩土效应适用于桩径大于5m的大直径单桩基础。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明与现有国内海上支撑结构分布迭代设计方法相比，能够精细化处理环境参数，基于寻找全局最优设计进行机组-控制-塔架-基础一体化设计，改进标准规范参数，协同多单位合作系统性给出整体设计方案；能有效降低支撑结构设计载荷，减少支撑结构重量和造价，降低海上风电度电成本；满足并完成对工程项目降本创新和成果申报的需求，突破海上风机-塔架-基础一体化优化设计技术，解决了支撑结构分割孤立设计的难题。
附图说明
图1a是海上支撑结构示意图。
图1b是海上风机载荷计算的塔架坐标系示意图。
图2是海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法流程。
图3是载荷-控制-塔架–基础整体迭代设计流程。
图4项目落地方案进度控制示意图。
具体实施方式
下面结合图2、3、4和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种基于代理模型的海上风机支撑结构优化设计方法，图3中为代理模型优化算法的一般流程图，一般包括以下步骤：海上支撑结构受到的载荷主要来自于风、浪、流。在支撑结构迭代计算中，一体化建模及载荷计算、塔架和基础结构设计是主要内容。
作为示例，本发明基于采用GH-Bladed软件对风机载荷进行一体化建模和载荷计算，一体化建模包含环境条件输入和支撑结构模型搭建两方面。其中，环境条件包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况(海冰、地震、台风)；支撑结构模型包括机头、塔架、基础(包括泥面以下部分)。依据机组运行状态，将不同环境参数，控制参数以及机组运行情况进行组合，可分为正常发电，发电+故障工况，启机工况，停机工况，紧急停机，空转，空转+故障，运维8个类别的工况组合(DLC，Design Load Case)。
极限载荷的后处理根据IEC61400-3规范的要求，需要对极限工况进行分组统计：定常风工况和阵风工况，直接以单个工况参与最值统计；6个种子的湍流风工况，以同风速下不同种子的12个工况为一组，选取其中最接近本组平均结果的工况为目标工况，再参与最值统计；12个种子的湍流风工况，以同风速下不同种子的12个工况为一组，在每组中前6个工况中选取载荷选取其中最接近6个工况平均结果的工况为目标工况，再参与最值统计。表1中给出了极限载荷的安全系数。图1给出了海上风机载荷计算的塔架坐标系，其中：原点位于塔架轴与基础平面交叉点处；XF为水平方向；ZF为沿塔架轴方向垂直向上方向；YF为水平指向侧方。
考虑风浪异向影响，对海上塔架焊和单桩缝疲劳计算时考虑Mx、My的影响，首先将Mx、My随时间变化的载荷时序在塔架圆周方向投影，投影角度为[0,2π]，按照上面所示方式得到不同坐标系下的载荷时间历程分量，然后再按照传统方法进行雨流计算得到每个方向上的Markov矩阵。
表1极限载荷的安全系数
Figure BDA0003042791870000071
塔架主体结构设计
作为示例，本发明对塔架和单桩的主体结构进行校核和优化设计；塔架结构主体校核主要包括：塔架筒壁静强度，塔架稳定性和塔架焊缝疲劳强度校核。
塔架筒壁静强度根据第四强度理论进行判定，筒壁静强度安全系数计算方法如公式(1)所示；对于质量等级为一级的全熔透对接满焊塔架焊缝，需要进行无损探伤。根据DIN18800-1，满足该要求焊缝的连接部位的静强度由母材决定，无须对焊缝静强度进行计算。
Figure BDA0003042791870000081
其中：γM为材料安全系数；fy,k为材料的屈服强度，σν为塔架各截面上的等效应力。
塔架稳定性分析采用标准DIN EN 1993-1-6，钢制塔架稳定性分析基于薄壳理论，针对轴向压力、剪切应力、环向压力及上述三种应力共同作用下的稳定性进行计算；轴压力作用下的、剪力作用下的、环向压力作用下的和这三种力综合作用下的圆柱壳稳定性安全系数及圆柱壳不发生轴向失稳的条件的计算方法如公式(2)-(5)所示：
Figure BDA0003042791870000082
Figure BDA0003042791870000083
Figure BDA0003042791870000084
Figure BDA0003042791870000085
其中：σx,Rd为圆柱壳轴向失稳临界应力值；σx,Ed为圆柱壳轴向失稳计算应力值；τxθ,Rd为圆柱壳实际剪切失稳临界应力值；τxθ,Ed为圆柱壳剪切失稳计算应力值；σθ,Rd为圆柱壳环向失稳临界应力值；σθ,Ed为圆柱壳环向失稳计算应力值；kx，kτ，kθ，ki为无量纲参数。
塔架焊缝疲劳计算采用名义应力法；塔架焊缝有三类，分别为纵向焊缝、横向焊缝和内附件焊缝，计算时选取三者之中最不利的疲劳设计等级，根据得到的Markov矩阵和S-N曲线可以得到塔架焊缝疲劳累计损伤，塔架焊缝的疲劳安全系数需满足式(6)条件：
SRF6≥1 (6)
单桩主体结构设计
单桩基础结构主体校核主要包括：轴向承载力，极限工况节点UC值校核，疲劳强度强度和泥面转角校核。
单桩基础竖向承载力校核公式为：
QE≤Qd (7)
其中：Qd为打入桩单桩轴向承载力设计值；QE为打入桩单桩轴向承载力计算值。
承受压缩和弯曲联合作用、拉伸和弯曲联合作用、轴向拉伸和环向压缩同时发生的圆柱形构件，在其全长的各点上均应满足下式(8)：
UC≤1 (8)
单桩基础结构的疲劳分析，应符合国家现行标准《海上钢结构疲劳强度分析推荐作法》(SY/T 10049)的有关规定。根据Markov矩阵和S-N曲线可以得到焊缝疲劳累计损伤，单桩焊缝的疲劳损伤值Damage应满足下列条件：
Damage≤1 (9)
根据DNVGL-ST-0126规范，单桩泥面处总转角不超过0.5°，其中包括单桩桩体在泥面处的安装偏差角度，以及永久累计转角变形。通常桩体沉桩完成后的垂直度控制在0.25°(即安装偏差角度为0.25°)，在计算时桩基的永久累计泥面转角允许值△θ为0.25°，即：
Δθ≤0.25° (10)
此外还需对单桩变形校核如下三个指标：
a)泥面水平位移不超过L/500(L为桩体入土深度)；
b)桩端位移不超过允许值(通常取L/5000和10mm中的较小值作为允许值)；
c)基础的最大沉降量不超过100mm。
载荷-控制-塔架-基础迭代设计流程
图1给出了一种海上风机单桩基础的结构，包机组、塔架、单桩基础，收到来自风、浪、流的作用和岩土的约束。基于载荷-控制-塔架-基础一体化设计，包括以下步骤：
S1根据塔架构型、塔底和单桩直径预估载荷。
S2给出塔架和基础的初始设计，包含分段、直径、壁厚等信息。
S3使用Bladed进行一体化建模并进行一体化载荷计算。
S4同步进行塔架结构设计优化和基础结构设计优化。
S5检查是否满足收敛准则，收敛准则包括：机组适应性与上一轮的支撑结构频率差异是否在1％以内；与上一轮的支撑结构质量差异是否在1％以内，机组适应性包括叶片、主轴承、变桨轴承、偏航轴承、发电机以及底座的极限和疲劳强度。
S6如果满足收敛准则，则迭代设计结束；如果不满足，则对控制策略、塔架和基础结构进行整体优化设计，并把优化后的结果返回3)，优化列式如下：
Figure BDA0003042791870000101
其中，[x1,x2,x3...]为塔架壁厚、单桩壁厚、偏航、变桨及转矩控制策略参数；m塔架+单桩为塔架和单桩的总质量。
本发明方法给出一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，分别采用①选用合适机位点及其风参、水深、地勘参数、②一体化载荷、③优化控制策略、④提高阻尼比、⑤阻尼器、⑥采用新型射钉连接、⑦泥面累积变形算法、⑧大直径桩土效应、⑨调整塔架构型、⑩调整塔架、基础直径和根开、
Figure BDA0003042791870000111
放开频率范围至1P和3P控制、
Figure BDA0003042791870000112
地勘参数精细化处理、
Figure BDA0003042791870000113
增大径厚比、
Figure BDA0003042791870000114
缩短桩长等多种技术方法进行针对性的改进和迭代设计。
图2给出了具体技术流程：
1)开始设计
2)确定更新机位点环境参数
3)选中机位点水深和地基刚度在全场(或所在分区)是否属于较好位置？若否，执行第4步；若是，执行第5步。
4)根据施工顺序、水深、地质条件等信息，①选用合适的机位点及其环境参数。回到第2步。
5)分析当前设计合理性，在极限强度、疲劳强度、变形要求、频率要求和结构的局部和整体屈曲中是否裕度都较小。若是，则执行步骤11，若否，则执行步骤5。
6)判断极限强度是否为单一控制因素：若否，则执行第7步；若是，则采用②一体化载荷、③优化控制策略等方法优化，执行第11步。
7)判断疲劳强度是否为单一控制因素：若否，则执行第8步；若是，则采用②一体化载荷、③优化控制策略、④提高阻尼比、⑤阻尼器、⑥采用新型射钉工艺等方法优化，执行第11步。
8)判断变形要求是否为单一控制因素：若否，则执行第9步；若是，则采用②一体化载荷、③优化控制策略、⑦泥面累积变形算法等方法，执行第11步。
9)判断频率要求是否为单一控制因素：若否，则执行第10步；若是，则采用⑧大直径桩土效应、⑨调整塔架构型、⑩调整塔架、基础直径和根开、
Figure BDA0003042791870000115
放开频率范围至1P和3P控制、
Figure BDA0003042791870000116
地勘参数精细化处理等方法优化，执行第11步。
10)判断结构的局部和整体屈曲是否为控制因素：若否，则执行第12步；若是，则通过
Figure BDA0003042791870000122
增大径厚比、
Figure BDA0003042791870000123
缩短桩长等方法优化，执行第11步。
11)进行载荷-控制-塔架-基础整体化设计。
12)设计结束。
本发明所述的一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其中采用的14项技术方法的成熟度、适用场景及效果如下：
表2各技术方法成熟度及应用场景
Figure BDA0003042791870000121
Figure BDA0003042791870000131
具体的，在采用该方法对已有机位点结构进行降本优化设计时，需结合项目实际采购、备料、下料、制造、单桩施工、运输和吊装工期、船舶资源、主机厂和设计院人力资源、并网时间要求制定严格的项目实施落地计划。
该风场容量为300MW，采用4.5MW机组，基础顶高程13m，轮毂中心高度94m塔底直径5.5m，三段塔筒，底段高度15m，中间段高度33m，顶段高度33m。当前结构频率0.235Hz，主机商提出频率适用范围为0.235Hz-0.320Hz。
根据图2给出的流程图，实施方案操作如下：
1)开始设计
2)确定更新机位点环境参数
3)选中机位点水深和地基刚度在全场属于较好位置。
4)分析当前设计合理性：否。当前设计受到频率要求约束，其他极限强度、疲劳强度和变形要求都留有裕度。
5)判断极限强度是否为单一控制因素：否。
6)判断疲劳强度是否为单一控制因素：否。
7)判断变形要求是否为单一控制因素：否。
8)判断频率要求是否为单一控制因素：是。考虑当前已对单桩进行施工，且主体钢板已采购尚未开始制造，因此仅采用⑨调整塔架构型、⑩调整塔架、单桩直径两种方法进行优化。
9)采用载荷-控制-塔架-基础整体迭代设计。回到第4步。
10)分析当前设计合理性：是。
11)判断极限强度是否为单一控制因素：否。
12)判断疲劳强度是否为单一控制因素：否。
13)判断变形要求是否为单一控制因素：否。
14)判断频率要求是否为单一控制因素：否。
15)判断结构的局部和整体屈曲是否为控制因素：否。
16)设计结束。
表3给出了优化设计前后方案的对比。从表中可以看到，优化前的为1段，优化后的方案直段为2段；优化前的方案单桩直径为6.50m，优化后的方案单桩直径6.30m；优化后的频率仍为0.235Hz，由于工期的问题，没有要求主机厂家采用
Figure BDA0003042791870000142
放开频率范围至1P和3P控制等其他技术方法。
通过优化，单台机组塔架重了2.3t，单桩轻了64.5t，单台塔架和基础总质量减重62.2t。以风场300MW共计60台机组，每吨材料1.3万元计算，共节约5390万元材料成本。
表3优化前后方案对比
Figure BDA0003042791870000141
Figure BDA0003042791870000151
所需时间条件
距吊装至少需留足7个月，用于设计、采购、运输、制造。
所需场景条件
主机厂和设计院承诺提供定制化设计，主要是主机厂的塔架内附件图纸需重新绘制，约需2-3个月。
考虑施工顺序和并网时间。考虑当前国补时间需全场机组全部并网，且目前在建项目已采购钢板、附件、法兰，直接实施会影响项目进度。
整体化设计技术方案推荐使用场景：水深10-20m左右的单桩基础形式，预计减重效果能达10％。
方案实施步骤
项目甘特图如图3所示，
a)确定最优设计方案(14天)；
b)完成迭代设计，确定塔架和基础主体设计参数(21天)；
c)完成塔架主体备料图(7天)，单桩主体备料图(7天)；
d)开展确定塔架-基础接口图(21天)；
e)采购钢板及法兰(60天)，采购单桩钢板(45天)；
f)绘制塔架施工图(30天)和单桩施工图(30天)；
g)塔架内附件拆图及采购(60天)，单桩福建拆图及采购(45天)
h)陆上塔架制造拼装(21天)；
i)单桩制造(14天)
j)塔架及机组安装(7天)。
本发明给出的是预估时间，精确的设计和采购时间需视供应商能力、工期安排、天气等情况确定。本发明整体化设计方法可以找到整体支撑结构最轻的全局最优设计，是降低海上风电度电成本的有效方法；在海上风电招标阶段将制定风机厂商带基础工程量方案投标的规则，并将在详设阶段要求采用整体化试验设计方案以找塔架和单桩总质量最小的全局最优设计。

Claims (8)

1.一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定机位点环境参数；
步骤2，判断所述机位点的水深和地基刚度在其所处的风场或所在分区的位置是否达到预设点位，若否，执行步骤3；若是，执行步骤4；
步骤3，根据海上风机支撑结构的施工顺序、机位点的水深以及地质条件信息，执行①更新机位点及其环境参数后返回步骤1；
步骤4，分析海上风机支撑结构当前设计中极限强度、疲劳强度、变形要求、频率要求以及径厚比和桩长是否小于设定值；若是，则执行步骤11，若否，则执行步骤5；
步骤5，判断极限强度是否为单一控制因素，若否，则执行第6步；若是，则采用②一体化载荷和/或③优化控制策略方法优化，执行第10步；
步骤6，判断疲劳强度是否为单一控制因素：若否，则执行第7步；若是，则采用②一体化载荷、③优化控制策略、④提高阻尼比、⑤阻尼器和⑥采用新型射钉工艺的方法优化，执行第10步；
步骤7，判断变形要求是否为单一控制因素：若否，则执行第8步；若是，则采用②一体化载荷、③优化控制策略以及⑦泥面累积变形算法进行优化，执行第10步；
步骤8，判断频率要求是否为单一控制因素：若否，则执行第9步；若是，则采用⑧大直径桩土效应、⑨调整塔架构型、⑩调整塔架、基础直径和根开、
Figure FDA0003042791860000011
放开频率范围至1P和3P控制以及
Figure FDA0003042791860000012
地勘参数精细化处理的方法进行优化，执行第10步；
步骤9，判断径厚比和桩长是否为控制因素：若否，则执行第11步；若是，则通过
Figure FDA0003042791860000013
增大径厚比和
Figure FDA0003042791860000014
缩短桩长的方法进行优化，执行第10步；
步骤10，进行载荷-控制-塔架-基础整体化设计；
步骤11，得到设计结果，设计结束。
2.根据权利要求1所述的海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，第10步所述载荷-控制-塔架-基础迭代设计流程，包括以下步骤：
S1，根据塔架构型、塔底和单桩直径预估载荷；
S2，给出塔架和基础的初始设计，包含分段、直径、壁厚以及对齐方式，所述对齐方式为外径对齐、内径对齐或中径对齐；
S3，使用Bladed进行一体化建模并进行一体化载荷计算；
S4，同步进行塔架结构设计优化和基础结构设计优化；
S5，检查是否满足收敛准则，收敛准则主要包括：机组适应性，包括叶片、主轴承、变桨轴承、偏航轴承、发电机以及底座的极限和疲劳强度；相邻两次所得支撑结构频率差是否在1％以内，相邻两次所得支撑结构质量差异是否在1％以内；
S6，如果满足收敛准则，则迭代设计结束；如果不满足，则对控制策略、塔架和基础结构进行整体优化设计，并把优化后的结果返回S3，优化列式如下：
find:[x1,x2,x3...]
min:m塔架+单桩
subject to:SRF1，2,3,4,5≥1
min(SRF6(θ))≥1
QE≤Qd
UC≤1
Damage≤1
Δθ≤0.25°
其中，[x1,x2,x3...]为塔架壁厚、单桩壁厚、偏航、变桨及转矩控制策略参数；m塔架+单桩为塔架和单桩的总质量；
S7，迭代设计结束，输出响应值，所述响应值包括塔架质量、单桩质量、频率、塔底极限和疲劳载荷。
3.根据权利要求2所述的海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，使用Bladed进行一体化建模并进行一体化载荷计算时，一体化建模时包括环境条件输入和支撑结构模型搭建两方面，其中，环境条件输入包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况，特殊工况包括海冰、地震或台风；支撑结构模型包括机头、塔架以及基础，其中，基础包括泥面以下部分。
4.根据权利要求1所述的海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，所述优化方法中：①更新机位点及其环境参数、③优化控制策略以及⑨调整塔架构型的措施适用于所有海上风机。
5.根据权利要求1所述的海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，所述优化方法中：②一体化载荷适用于水深大、波浪力大的服役条件，⑨调整塔架构型措施适用于所有基础结构。
6.根据权利要求1所述的海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，所述优化方法中：⑩调整塔架、基础直径和根开措施适用于水深较大、结构直径和刚度不均匀变化的工况，
Figure FDA0003042791860000031
放开频率范围至1P和3P控制适用于控制因素为主机厂给出的频率范围，且比规范给出的[1P×110％，3P×90％]更窄的工况，
Figure FDA0003042791860000032
地勘参数精细化处理的措施适用于结构受频率控制的工况。
7.根据权利要求1所述的海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，所述优化方法中：⑤使用阻尼器适用于结构受到疲劳控制，采用一阶和二阶阻尼器降载，⑥采用新型射钉连接的措施适用于塔架全部受到疲劳强度控制的工况，
Figure FDA0003042791860000033
增大径厚比的措施适用于单桩的壁厚由构造要求控制，通过增加D/t减少壁厚，
Figure FDA0003042791860000034
缩短桩长的措施适用于对桩长进行鲁棒性设计的工况。
8.根据权利要求1所述的海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，其特征在于，所述优化方法中：④提高阻尼比的措施适用于结构由疲劳控制的场景，⑦泥面累积变形算法的措施适用于由泥面转角控制的场景，采用泥面累积变形算法结合极限强度和疲劳强度降载；⑧大直径桩土效应适用于桩径大于5m的大直径单桩基础。
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Denomination of invention: A method for integrated cost reduction and optimization design of offshore wind turbine support structure

Granted publication date: 20221213

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