基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化.pdf
《基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:上海市教育委员会科研创新计划自然科学重大项目(E ),国家自然科学基金(,),上海市曙光计划(S G ),上海交通大学深蓝计划(S L P T ),湖南省自然科学基金(J J )作者简介:占玲玉(),硕士生,从事海上风机结构优化、减振研究通信作者:周岱,教授,博士生导师;E m a i l:z h o u d a i s j t u e d u c n 文章编号:()D O I:/j c n k i j s j t u 基于B E S O算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化占玲玉,何文君,周岱,韩兆龙,朱宏博,张凯,涂佳黄(上海交通大学 船舶海洋与建
2、筑工程学院,上海 ;上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 ;湘潭大学 土木工程与力学学院,湖南 湘潭 )摘要:研究大型水平轴风力机塔筒的合理支撑结构形式对风力发电结构系统安全至关重要针对高桩承台式水平轴风力机,基于反比例型删除率的双向渐进结构优化(B E S O)算法,拓扑优化风力机塔筒结构,根据计算流体动力学方法和桩土相互作用原理,建立考虑桩土作用的风力机结构风致动力响应数值模型,比较分析优化前后风力机结构动力响应特性,验证结构优化方法的可靠性经拓扑优化得到新的高桩承台水平轴风力机支撑结构,相较于初始结构,优化后的支撑结构风致动力响应显著降低,成果可为高桩承台式水平轴风力机支撑结构设计
3、优化提供技术参考关键词:水平轴风力机;高桩承台式风力机基础;双向渐进结构优化算法;风致动力响应中图分类号:P ;O 文献标志码:AS u p p o r tS t r u c t u r eO p t i m i z a t i o no fH i g h P i l eC a pS u p p o r t e dH o r i z o n t a lA x i sW i n dT u r b i n eS y s t e mB a s e do nB E S OA l g o r i t h mZHANL i n g y u,HEW e n j u n,ZHO UD a i,HANZ h a
4、 o l o n g,ZHUH o n g b o,ZHANGK a i,T UJ i a h u a n g(S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c t u r e,O c e a na n dC i v i lE n g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i ,C h i n a;S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fO c e a nE n g i n e e r i n g,S h a n
5、 g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i ,C h i n a;C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dM e c h a n i c s,X i a n g t a nU n i v e r s i t y,X i a n g t a n ,H u n a n,C h i n a)A b s t r a c t:T h es t u d yo fr e l i a b l es u p p o r ts t r u c t u r ei so fg r e
6、 a ts i g n i f i c a n c et ot h es a f e t yo fl a r g e s c a l e dh o r i z o n t a l a x i sw i n dt u r b i n e(HAWT)s y s t e m I nt h i sp a p e r,f o rc a p s u p p o r t e dHAWT w i t hh i g hp i l e,t h eb i d i r e c t i o n a le v o l u t i o n a ls t r u c t u r eo p t i m i z a t i o
7、n(B E S O)a l g o r i t h m b a s e do ni n v e r s e l yp r o p o r t i o n a ld e l e t i o nr a t ew a su s e dt oo p t i m i z e i t ss u p p o r ts t r u c t u r e U s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s(C F D)a n dt h ep r i n c i p l eo fp i l e s o i l i n t e r a c t i o
8、 n,t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fHAWTw a se s t a b l i s h e d,w h e r et h ew i n dl o a da n dp i l e s o i l i n t e r a c t i o nw e r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n T h er e l i a b i l i t yo ft h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nm e t h o dw a sv e r i f i e
9、 d t h r o u g h t h e c o m p a r i s o no f t h ed y n a m i c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e n t h e i n i t i a l a n dt h eo p t i m i z e dm o d e l T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n tB E S Oa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yg e n e r a t ean o
10、 v e l第 卷 第期 年月上 海 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FS HANGHA I J I A OT ON GUN I V E R S I T YV o l N o A u g 上海交通大学学报第 卷s u p p o r ts t r u c t u r e f o r mf o rh i g h p i l eHAWT,w h o s ed y n a m i c r e s p o n s e i s s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d T h e r e s u l t sc a np r o v i d eu s e
11、 f u l r e f e r e n c e s f o rHAWT sd e s i g n s K e yw o r d s:h o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n e(HAWT);h i g h p i l ec a pf o u n d a t i o n;b i d i r e c t i o n a lp r o g r e s s i v es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m(B E S O);w i n d i n d u c e dd y
12、 n a m i c r e s p o n s e风力机大型化可有效提高风力发电量和风能利用率,是海上风力发电的世界发展趋势研发建造包括、和 MW在内的大型风力机是我国海洋绿色能源开发利用的战略重点然而随着风力机转子、塔筒尺寸的不断增加,大型风力机结构系统柔性增加,抗风能力明显降低,风力机风致动力响应更加复杂,系统风致动力灾变风险更加凸显研究并优化大型水平轴风力机支撑结构对保证系统运行安全十分重要风力机大型化导致塔筒顶部大型转子和发电机质量增加、支撑塔筒高度增大常用的圆锥塔筒无法满足风力机结构的强度和刚度要求迄今,学者们对大型水平轴风力机支撑结构优化已有一定研究 G e n t i l s等
13、基于遗传算法,考虑多 准 则 约 束,对 美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室(N R E L)提 出 的 MW单 桩 式 风 力 机(N R E LMW)塔架和基础进行优化分析并计算风力机支撑结构优化尺寸参数;O e s t等基于疲劳损伤荷载、准静态分析和动态分析,对海上风力机支撑结构进行梯度优化设计;葛旭等结合有限元分析与进化策略,对海上三桩单立柱风力机支撑结构主尺度参数进行多参数同步优化设计;T i a n等对导管架式海上风力机的导管架基础进行拓扑优化,结合尺寸和形状优化实现结构重分布,得到质量更轻的导管架结构上述研究仅为针对特定风力机结构形式的参数优化,未改变其支撑结构形式,
14、虽对风力机结构稳定性有一定提高,但设计方法具有局限性相较于参数优化,拓扑优化方法具有更多的设计自由度,是优化大型水平轴支撑结构的新途径拓扑优化方法应用于包括结构优化在内的广泛领域,其双向渐进结构优化(B E S O)算法优化效果较好王章骏等采用B E S O算法对吸能管进行拓扑优化,提高了带隔板薄壁方管的耐撞性能,实现了吸能管轻量化的设计目标;刘昆等基于B E S O算法对船体梁腹板开孔进行设计优化,提出适用于船体结构孔型的B E S O算法;B E S O还在罗马小体育宫、卡塔尔国家会议中心 等建筑工程设计中得到应用目前,大型水平轴风力机塔筒支撑结构拓扑优化还鲜有研究基础是风力机系统的关键结
15、构之一,高桩承台基础的结构安全性能高,适合我国海床地质条件,施工工 艺 成 熟,在 我 国 近 海 风 电 场 建 设 中 多 有 应用 但不考虑桩土相互作用会导致风力机位移响应被严重低估 ,是结构安全设计的重要隐患考虑桩土相互作用的风力机支撑结构性能,开展支撑结构优化分析基于反比例型删除率的B E S O算法,提出大型高桩承台式水平轴风力机支撑结构拓扑的优化算法,运用有限元软件AN S Y S开展大型水平轴风力机支撑结构寻优分析,获得一种风力机优化支撑结构,显著降低了风力机风致动力响应 风力机结构建模与分析 风力机支撑结构建模以应用较广的N R E LMW 风力机为背景,进行考虑桩土作用的近
16、海坐底式高桩承台大型水平轴风力机塔筒结构优化研究高桩承台式水平轴风力机初始模型如图(a)所示,其支撑系统包括上部塔筒结构、承台和群桩水平轴风力机塔筒为圆筒式支撑结构,如图(b)所示,塔筒底部外径Dm,塔筒高度H m 塔筒选用Q 钢材,密度 g/m,弹性模量E N/m,泊松比 ,风力机额定风速为 m/s,具体参数如表所示图水平轴风力机塔筒结构初始模型F i g H o r i z o n t a l a x i sw i n dt u r b i n e i n i t i a lm o d e l第期占玲玉,等:基于B E S O算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化 表MW水平轴风力机塔架
17、参数T a b MWh o r i z o n t a l a x i sw i n dt u r b i n ep a r a m e t e r s参数数值参数数值塔筒底部外径,D/m额定输出功率/MW塔筒顶部外径/m 叶片长度,L/m 塔架高度,H/m 额定风速/(ms)转子质量/k g 额定叶尖速度/(ms)机舱质量/k g 塔架质量/k g 图基础与土体模型F i g F o u n d a t i o ng e o m e t r i cm o d e l a n ds o i lp r o f i l e s图风场计算域和边界条件F i g W i n df i e l dc o
18、 m p u t a t i o nd o m a i na n db o u n d a r yc o n d i t i o n参照上海东海大桥海上大型风力发电工程项目采用高桩承台式 基 础,混 凝 土 承 台 直 径D m,承台厚度Sm,设置根直径dm、壁厚t mm的 全 直 钢 管 基 桩,桩 基 长 度H m,入土深度h m承台材料选用C 标号混凝土,弹性模量E G P a,密度为 k g/m,泊松比 ,基础模型如图(a)所示基于J u n g等 和C h e n等 确定土体模型和力学参数:土体浮重度、弹性模量E、泊松比、内摩擦角和不排水抗剪强度su、黏土泊松比u、的最大有效应力下的
19、轴向应变、土层深度z、膨胀角、黏聚力c、地基反力模量k,如图(b)所示 风力机支撑结构风荷载对高桩承台大型水平轴风力机结构系统,基于计算流体动力学(C F D)方法并运用S t a r C CM计算软件 数值模拟获得风力机叶片气动荷载,风力机风轮直径为d,选取长方体风场计算域,计算域长度、宽度和高度分别为 d、d和d,如图(a)和(b)所示计算域划分共 万个网格计算域 上海交通大学学报第 卷中,风力机叶片圆柱体旋转域在竖平面的直径为 d,旋转域高度即顺风向尺度为 d;旋转域之外的计算域等其他部分为静止域对旋转域和静止域设置交界面,采用滑移网格处理风轮运行旋转问题,如图(c)和(d)所示叶片表面
20、采用棱柱层网格,延伸因子为 ,总厚度为 m,无量纲化壁面距离为y对大型风力机支撑结构采用锥筒结构,塔筒高度为 m将塔筒简化为受弯曲变形、轴向压缩和扭转变形的悬臂梁风力机运行时,需考虑塔筒沿高度的风压变化沿塔筒高度l处的风荷载 为f(l)CdDlV(l)()式中:Cd为风阻力系数,取值 ;为空气密度;Dl为塔筒高度l处的塔筒截面直径;V(l)为沿塔架高度l处的瞬时风速 桩土相互作用美国石油协会(A P I)规范推荐的土体py曲线,即非线性弹簧模型广泛应用于海洋工程桩基设计引入用于分析风力机支撑结构的桩土相互作用,该模型考虑了土体非线性、土层变化和土体种类等因素的影响,软土中各层py曲线为ppuy
21、yc/,yyc pu XXRyyc yc,ycy yc puXXR,y yc()式中:p为深度X处单位桩长的极限水平土抗力标准值;yc为实验室中对未扰动工试样做不排水压缩试验时,其应力达到最大应力一半时的变形;y为泥面以下深度X处桩的侧向水平变形;XR为泥面以下到土抗力减少区域底部的深度;pu为深度X处单位桩长的极限水平土抗力标准值对于砂土情况,py曲线为pA put a n hK XA puy()式中:K为地基反力初始模量;A为计入静力荷载和循环荷载条件的参数基于A P I规范的py曲线法,计算循环荷载作用情 况 下 的 桩 侧 土 抗 力,使 用AN S Y S软 件 的C o m b i
22、 n e 单元模拟py曲线,该单元是具有非线性功能的单向拉压单元,常用于桩土相互作用模拟在搭建有限元模型时,根据计算得到的土体py曲线参数,每间隔m设置一个C o m b i n e 土弹簧单元在桩土相互作用模拟过程中,为简化计算未考虑桩土循环弱化作用及桩端设置竖向简支约束 风力机支撑结构系统振动响应采用N e wm a r k 法 中的平均常加速度法对风力机支撑结构系统风致振动进行瞬态分析,其中控制N e wm a r k 法精度和稳定性的 参数取值为 ,采用瑞利阻尼模拟风力机结构阻尼,刚度阻尼系数取值为 风力机结构系统动力激励下的振动方程 为M u(t)C u(t)K u(t)FI(t)F
23、C(t)FK(t)()式中:u(t)、u(t)、u(t)分别为水平轴风力机的加速度、速度和位移矩阵;M、C、K分别为大型水平轴风力机结构的质量、阻尼和刚度矩阵;FI(t)、FC(t)和FK(t)分别为风力机的惯性力、阻尼力和恢复力矩阵 大型水平轴风力机支撑拓扑优化 B E S O算法的数学模型针对大型水平轴风力机支撑结构优化问题,建立以结构静刚度最大为目标、以结构体积为约束条件的数学力学模型,表示为m i nCTCT(x)uTK u()s t nixiviV,xixm i n,()式中:CT为结构平均柔顺度;V为目标体积比;vi为第i个单元的体积;n为迭代次数;xi为设计变量;xm i n和分
24、 别 代 表 某 一 单 元 在 设 计 域 内 缺 失 或存在 单元灵敏度过滤及更新为避免产生奇异单元刚度矩阵,算法以xm i n代替表示空单元,在该软删单元的B E S O算法 中所有单元的材料弹性模量可根据材料插值模型设置为E(xi)Exqi()式中:q为惩罚因子单元灵敏度表示增删单元对结构平均柔顺度的影响程度,单元灵敏度大小为单元灵敏度的相对排序,表示为iqCTxiuTiKiui,xixq m i nuTiKiui,xixm i n()式中:Ki和ui分别为单元刚度矩阵和单元位移向量为抑制优化过程中出现实体单元与空洞单元交第期占玲玉,等:基于B E S O算法的高桩承台式水平轴风力机支
25、撑结构优化 替出现的棋盘格等数值不稳定现象,通过权重系数引入节点灵敏度节点概念:jMiwiei()式中:j为节点j的灵敏度;M为对节点j有影响的单元总数;wi为权重系数;ei为单元i的灵敏度在迭代过程中,根据节点灵敏度对单元灵敏度进行过滤并更新单元灵敏度,更新过程为niJj(rm i nri j)niJj(rm i nri j)()inin i()式中:ri j为j节点到i单元的中心的距离;rm i n为以i单元中心为原点的过滤圆半径;ni为第n次迭代的单元灵敏度,将式()计算得到的i赋予ni,进行下一次迭代 基于B E S O算法的结构拓扑优化鉴于水平轴风力机结构系统对称性,将支撑结构三维优
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 BESO 算法 高桩承 台式 水平 风力机 支撑 结构 优化
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。