近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計

摘 要:近年來，隨著能源需求持續(xù)增長、全球氣候變暖和環(huán)境污染不斷加重，人們把目光逐漸聚集到可替代的可再生能源-風(fēng)能上。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一般都立于不利的環(huán)境中，體積龐大，造價昂貴，結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮很多不確定性因素，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。研究針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)力學(xué)結(jié)構(gòu)的特點，在國內(nèi)外有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論和可靠度方法一些相關(guān)問題進(jìn)行了初步的研究。

關(guān)鍵詞:風(fēng)機(jī)基礎(chǔ);結(jié)構(gòu)力學(xué);可靠度;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號:TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)08-0293-02

隨著化石能源資源日趨枯竭、能源供應(yīng)安全和環(huán)境壓力等的驅(qū)動，可再生能源逐步成為近年來世界的研究熱點，在眾多的可再生能源中，風(fēng)能有節(jié)約資源、防止環(huán)境污染、項目建設(shè)周期短、靈活性強(qiáng)、具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展?jié)摿Φ葍?yōu)點，前景最為看好。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及特性

一般來說，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是造成風(fēng)電成本高的主要因素之一，設(shè)計時要考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況、風(fēng)向影響，對于海上風(fēng)機(jī)，則情況更為復(fù)雜。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有重力式結(jié)構(gòu)、樁基固定式結(jié)構(gòu)兩種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，近年來也逐漸開始應(yīng)用的筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等一些較為新型的結(jié)構(gòu)。重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，靠自身質(zhì)量和壓載物的質(zhì)量穩(wěn)固于地面或海面上。樁基固定式這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對海上風(fēng)機(jī)的應(yīng)用較為廣泛，已建成的大部分海上風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)都采用了這種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式是一種較為新型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，一般是由一個中心立柱與鋼制圓筒通過帶有加強(qiáng)筋的剪切板相連，剪切板將中心立柱載荷分配到筒壁并傳入基礎(chǔ)。

2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

由于風(fēng)機(jī)動力作用的頻率能量最大，同時高次諧波的作用相對較小，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固有頻率應(yīng)避開風(fēng)頻率以免發(fā)生共振。對于海上風(fēng)機(jī)而言，其基礎(chǔ)常年受到風(fēng)、波浪、海流和冰的共同作用，影響因素眾多，所受載荷條件也比陸上更為復(fù)雜，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的目的是研究結(jié)構(gòu)在多種作用力相互影響下的響應(yīng)，故在進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計時如何合理組合結(jié)構(gòu)所受載荷是關(guān)鍵。

2.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力分析因素

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)研究主要有強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和疲勞四個主要方面的研究:

(1)強(qiáng)度指構(gòu)件在荷載作用下抵抗破壞的能力;

(2)剛度，指構(gòu)件在外力作用下抵抗變形的能力;

(3)穩(wěn)定性，指構(gòu)件保持其原有平衡狀態(tài)的能力;

(4)疲勞:結(jié)構(gòu)在交變荷載和恒載作用下，能保持其功能的能力。為了正常實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的功能，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須根據(jù)地面、海面情況滿足以上各個方面的要求。

2.2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動力分析因素

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動力分析一般是指對振動特性進(jìn)行力學(xué)分析，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。動力分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，同時也可以作為其它動力學(xué)分析問題的起點，其目的是計算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)，并得到一些響應(yīng)值對頻率的曲線，從這些曲線上可以找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一步觀察峰值頻率對應(yīng)的應(yīng)力，這樣可以在其他不利影響力作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的位移和轉(zhuǎn)角值均很小，可避免發(fā)生共振，滿足設(shè)計要求。

3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

隨著時代的發(fā)展，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時所需要考慮的因素也越來越多，因此傳統(tǒng)的工程設(shè)計方法無法處理這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，要把結(jié)構(gòu)設(shè)計做到既安全又經(jīng)濟(jì)，就需要有符合現(xiàn)代工程優(yōu)化的理論與方法。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以通過可靠度的優(yōu)化設(shè)計和選型方法來實現(xiàn)。

3.1 基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是可靠度分析和優(yōu)化設(shè)計的綜合，它較確定性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計更為合理，將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一個整體考慮，并且研究了它在工作期間表現(xiàn)的隨機(jī)性，即將某些結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬成隨機(jī)變量。在基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計中，把風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可靠度要求或者集合到優(yōu)化問題的約束中，或者結(jié)合到優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)內(nèi)，即在一定的結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)下，通過調(diào)整優(yōu)化變量使結(jié)構(gòu)的重量或者費(fèi)用最小;或者在一定的結(jié)構(gòu)重量或者費(fèi)用條件下，通過調(diào)整優(yōu)化變量使風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可靠度最大，由于對結(jié)構(gòu)的最主要要求是既安全可行又經(jīng)濟(jì)合理，而這樣的兩類結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題可以明顯的提高設(shè)計質(zhì)量和獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。以設(shè)計一個截面為矩形的短柱，截面的高h(yuǎn)和寬b需要滿足要求巧15≤h≤25，5≤b≤15;目標(biāo)函數(shù)取截面面積bh、隨機(jī)變量的分布及它們之間的相關(guān)系數(shù)見表1，功能函數(shù)定義為:

G(d，x)=1-4Mbh2Y-p2(bhY)2

允許失效概率等于0.00621，相應(yīng)的可靠指標(biāo)等于2.498。

表1 隨機(jī)變量

隨機(jī)變量分布類型均值單位相關(guān)P相關(guān)M相關(guān)Y

軸力(P)正態(tài)300MN0.510

彎矩(M)正態(tài)1500MN.m10.50

屈服應(yīng)力對數(shù)正態(tài)4MPa001

通過與兩層算法，序列近似規(guī)劃法比較研究發(fā)現(xiàn)，基于可靠度的優(yōu)化方法方法僅迭代4次，總共調(diào)用98次功能函數(shù)，可靠指標(biāo)為2.498而獲得理想的結(jié)果，兩層算法，序列近似規(guī)劃法雖然在可靠性指標(biāo)上稍微好于基于可靠度的優(yōu)化方法，但是迭代次數(shù)和調(diào)用次數(shù)要遠(yuǎn)大基于可靠度的優(yōu)化方法。

3.2 模糊選型優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)選型設(shè)計是一種專門針對影響因素多而且關(guān)系復(fù)雜的一些優(yōu)化方法，一個非常復(fù)雜的決策問題，就想風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計往往具有強(qiáng)烈的綜合性，包含大量隨機(jī)性、模糊性和未確知性的信息，用傳統(tǒng)的準(zhǔn)則法或者數(shù)學(xué)規(guī)劃法對此問題進(jìn)行建模和求解很難奏效。因此，研究風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、特別是大型復(fù)雜海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的科學(xué)決策方法，建造相應(yīng)的智能設(shè)計管理系統(tǒng)，對于保證風(fēng)機(jī)設(shè)計質(zhì)量、縮短風(fēng)機(jī)設(shè)計周期、提高風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的綜合性能具有重要的理論意義和實際意義。以多目標(biāo)決策系統(tǒng)模糊優(yōu)選模型中權(quán)重分析為例，在因素集中，各因素Pi的重要程度是不一樣的。為了反映各因素的重要程度，對各個影響因素Pi(i=l，2，…m)應(yīng)賦予一個相應(yīng)的權(quán)數(shù)wi{i=l，2，…m}。由各權(quán)數(shù)所組成的集合:W={w1，w2，…wm}則稱∑mv=1wi=1為權(quán)重集。權(quán)數(shù)wi，可視為各因素Pi(i=l，2，…m)對“重要性”的隸屬度。對于目標(biāo)集中的元素的重要性作二元比較，得目標(biāo)集中各因素對作歸一化處理得目標(biāo)了的權(quán)重碼w1，從而根據(jù)最為重要的影響力、因素來確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式方案的優(yōu)選涉及的指標(biāo)和考慮的因素很多往往帶有模糊性、隨機(jī)性和未知性等不確定性的特點，因而合理確定方案是比較困難的。采用傳統(tǒng)的動態(tài)規(guī)劃方法將很難在方案優(yōu)選過程中進(jìn)行各個因素的定量化分析，因而對方案進(jìn)行優(yōu)選是不完善的。因此，針對這些情況將影響平臺結(jié)構(gòu)選型的模糊因素，要通過綜合的比較分析，來保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計。

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