CN109918786A - 一种海上风机基础结构自动分析***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风机基础结构自动分析***及方法，分析***包括基于EXCEL的***平台、基于MATLAB程序的有限元参数计算模块以及基于ANSYS程序的有限元结构分析模块；***平台采用办公软件EXCEL为界面，利用EXCEL自带的VBA语言进行编程，实现MATLAB程序、ANSYS程序的自动调用以及N台风机基础的一键批处理自动分析。分析***的运行方法包括多个步骤。本发明界面友好、操作方便，能完成有限元模型的自动化建模、自动化分析、自动化规范校核，实现多台风机基础一键式批处理分析功能，是海上风电规模化开发强有力的技术工具，具有十分广阔的工程应用和推广价值。

Description

一种海上风机基础结构自动分析***及方法

技术领域

本发明涉及一种***及方法，尤其涉及一种海上风机基础结构自动分析***及方法。

背景技术

海上风电场开发规模较大，风机数量多，少则几十个，多则上百个，风机基础的分析主要包括极限工况分析、模态分析以及地震反应谱分析等。风机基础结构分析过程中通常还要进行多机型比对分析，每个风机钻孔地质参数也有差异，采用常规软件需要逐个建立模型、计算分析、提取结果等，手动操作步骤繁多，不仅耗时长，效率低，而且容易出现纰漏，审核工作量大。

海上风机基础设计对很多参数(如桩壁厚，直径，入泥深度，地质参数，风浪流荷载，风机荷载等)比较敏感，需要不断反复调试，以满足不同设计方案的需要。常规分析方法主要采用有限元方法，利用波浪力学、结构力学、土力学、空气动力学等进行波浪荷载、流荷载、桩土作用、风荷载、附连水质量等的模拟和计算。桩土分析通常采用p-y曲线法，根据不同深度不同参数的土层进行计算，以等效弹簧的形式施加在结构模型上。但现有的通用有限元软件(如ANSYS、ABAQUS)或者其他海洋油气行业软件(如SACS、FDOW)构架较为单一，具有反复建模和提取结果、耗时耗力的缺陷。

采用通用有限元软件直接进行海上风机基础计算分析，技术难度高，人员技术背景要求高，需要较长时间的培训才能胜任。由于该类软件针对性较差，建模分析、结果提取、规范校核等操作效率低，不能满足海上风电风机基础实际设计项目的需要。当前海洋工程专业软件等比通用有限元软件针对性要强一些，但是这类软件得到行业广泛应用的数量较少，风机基础输入输出数据在多个界面操作，校核和修改操作步骤较多，容易出现纰漏，特别是当进行风电场多台风机基础分析时，需要对每台风机基础逐个进行人工重复操作，耗时较长，自动化程度尚有待提高，难以适应海上风电场规模化建设的发展趋势。

此外，海上风机基础设计过程中出现方案变更、风机厂家信息更改、地质参数更新等情况会时常发生，致使计算分析工作更加繁杂。简单而繁杂的重复工作，有时甚至会影响到设计人员的心情，从而造成有限元分析质量的下降。

当前专门针对海上风电基础设计的商业软件较少，相关行业或者通用有限元软件操作步骤繁多，输入输出困难，针对性不强，没有对于整个风电场风机基础批处理分析的功能。

为适应海上风电场规模化开发的加速发展，如何快速、准确、高效的完成风机基础的分析工作成为行业亟需解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种海上风机基础结构自动分析***及方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海上风机基础结构自动分析***，包括基于EXCEL的***平台、基于MATLAB程序的有限元参数计算模块以及基于ANSYS程序的有限元结构分析模块；

***平台采用办公软件EXCEL为界面，利用EXCEL自带的VBA语言进行编程，实现MATLAB程序、ANSYS程序的自动调用以及N台风机基础的一键批处理自动分析；

有限元参数计算模块一方面基于MATLAB程序完成不同土层的桩土作用曲线的计算，自动生成相关数据文件和曲线图片供***平台读取，另一方面自动读取***平台中输入的相关设计参数，并以指定数据格式生成结果文件，供有限元结构分析模块中的ANSYS宏文件进行调用；

有限元结构分析模块采用ANSYS参数化语言APDL进行编程，自动读取参数进行自动建模、自动工况组合、自动分析并输出结果，以完成极限工况分析、模态分析和地震反应谱分析；其中，极限工况分析、模态分析和地震反应谱分析命令流分别以STA.MAC、MOD.MAC及EQK.MAC宏文件形式出现，由***平台EXCEL自动调用；

***平台采用VBA语言实现从MATLAB计算结果文件和ANSYS计算结果文件中分别读取桩土曲线计算结果和有限元结构分析结果至计算表相应区域，再根据计算结果和规范要求采用VBA语言对海上风机基础结构进行规范校核和列表展示。

进一步地，***平台EXCEL指定区域中输入的相关设计参数包括：基础参数、地质资料、地震参数、环境参数、风机及塔筒参数；所述地震参数包括抗震设防烈度、设计地震分组、场地类别；所述环境参数包括水深、冲刷深度、波高、波周期、流速、风压；所述风机及塔筒参数包括重量重心、塔筒直径、长度、壁厚、风机荷载。

进一步地，有限元结构分析模块采用ANSYS程序进行模态分析时，自动计算海生物、附连水质量、桩体内部充水质量的影响。

进一步地，有限元结构分析模块采用ANSYS程序进行地震反应谱分析时，风机反力作用点位于其单桩顶部，为解决塔筒结构与桩体结构变形的连续性问题，采用ANSYS单元生死技术进行模拟。

一种海上风机基础结构自动分析***的运行方法，整体流程如下：

S1、在***平台中输入N台风机基础相关设计参数，使这些参数集中在计算表某固定区域；

S2、点击批处理分析按键，启动***平台中采用VBA语言的程序，进行N台风机基础自动计算，进入步骤S3；

S3、步骤S3～S8为自动分析循环体，从第1台风机基础，逐个计算至第N台风机基础；***平台调用有限元参数计算模块，读取步骤S1中输入的第i台风机的各个参数，进行桩土作用曲线数据和有限元输入数据的计算，并将结果写入相关文件中；

S4、***平台调用ANSYS程序读取STA.MAC宏文件，进行第i台风机基础极限工况分析，并将结果写入相关文件中；

S5、***平台调用ANSYS程序读取MOD.MAC宏文件，进行第i台风机基础模态分析，并将结果写入相关文件中；

S6、***平台调用ANSYS程序读取EQK.MAC宏文件，进行第i台风机基础地震反应谱分析，并将结果写入相关文件中；

S7、在***平台EXCEL中，读取第i台风机基础各个有限元工况的计算结果至指定区域，进行规范校核，并将校核结果输出至指定区域；

S8、判断i是否大于风电场总风机台数N，若判断为否，则表明尚有风机基础有待分析，将i+1赋值给i，返还至步骤S3，继续循环分析；若判断为是，则表明所有风机基础均分析完成，进入步骤S9；

S9、完成所有风机基础计算，退出循环，结束分析。

本发明界面友好、操作方便，能完成有限元模型的自动化建模、自动化分析、自动化规范校核，实现多台风机基础一键式批处理分析功能，可显著提高海上风机基础的设计效率和质量，大大节约结构方案修改、风机资料变更、地质参数调整等时间，更加便于工程设计的优化和方案对比，是海上风电规模化开发强有力的技术工具，具有十分广阔的工程应用和推广价值。

附图说明

图1为自动分析***的架构图。

图2为自动分析***的运行方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示的一种海上风机基础结构自动分析***，包括基于EXCEL的***平台、基于MATLAB程序的有限元参数计算模块以及基于ANSYS程序的有限元结构分析模块；

其中，ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。ANSYS软件除了具有较为完善的有限元分析功能外，同时还为用户进行二次开发提供了多种实用工具，其中ANSYS软件提供的APDL语言是一种参数化设计解释性语言，通过由APDL语言编写的命令组成的APDL命令流文件可以调用ANSYS软件中的相应功能，从而自动完成一些复杂重复的分析任务。

为桌面应用程序Excel执行通用的自动化任务的编程语言是一种宏语言-VBA(Visual Basic for Applications)。目前可实现借助Excel的友好界面和强大的数据处理功能将其以更简单的方式应用到项目管理和流程控制中。在Excel中采用VBA，可以规范用户的操作，控制操作行为，使得操作界面人性化，使多个步骤的手工操作通过执行VBA代码可以迅速的实现，开发出功能强大的自动化程序。

MATLAB是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能；在输入输出方面，可以直接向Excel进行连接。

***平台采用办公软件EXCEL为界面，利用EXCEL自带的VBA语言进行编程，实现MATLAB程序、ANSYS程序的自动调用以及N台风机基础的一键批处理自动分析；

有限元参数计算模块一方面基于MATLAB程序完成不同土层的桩土作用曲线(p-y)的计算，自动生成相关数据文件和曲线图片供***平台读取，另一方面自动读取***平台中输入的相关设计参数，并以指定数据格式生成结果文件，供有限元结构分析模块中的ANSYS宏文件进行调用；整个过程无需对MATLAB进行人工操作，完全在***平台EXCEL中通过VBA程序自动调用和读取结果。

***平台EXCEL指定区域中输入的相关设计参数包括：基础参数、地质资料、地震参数、环境参数、风机及塔筒参数；所述地震参数包括抗震设防烈度、设计地震分组、场地类别；所述环境参数包括水深、冲刷深度、波高、波周期、流速、风压；所述风机及塔筒参数包括重量重心、塔筒直径、长度、壁厚、风机荷载。

有限元结构分析模块采用ANSYS参数化语言APDL进行编程，自动读取参数进行自动建模、自动工况组合、自动分析并输出结果，以完成极限工况分析、模态分析和地震反应谱分析；其中，极限工况分析、模态分析和地震反应谱分析命令流分别以STA.MAC、MOD.MAC及EQK.MAC宏文件形式出现，由***平台EXCEL自动调用；在EXCEL中调用ANSYS时自动运行这些宏文件，同时读取MATLAB输出的数据文件，自动建模，自动分析并输出计算结果，无需人工操作ANSYS程序即可完成各项分析工作。

此外，有限元结构分析模块采用ANSYS程序进行模态分析时，自动计算海生物、附连水质量、桩体内部充水质量的影响。

有限元结构分析模块采用ANSYS程序进行地震反应谱分析时，风机反力作用点位于其单桩顶部，为解决塔筒结构与桩体结构变形的连续性问题，采用ANSYS单元生死技术进行模拟。

***平台采用VBA语言实现从MATLAB计算结果文件和ANSYS计算结果文件中分别读取桩土曲线计算结果和有限元结构分析结果至计算表相应区域，避免直接对这些复杂的专业软件进行直接操作，再根据计算结果和规范要求采用VBA语言对海上风机基础结构进行规范校核和列表展示。本发明中所有风机基础相关设计参数均在EXCEL中指定区域进行输入，所有风机基础分析结果数据均自动读入到EXCEL指定区域，实现输入输出的一表式展示。

如图2所示，一种海上风机基础结构自动分析***的运行方法，整体流程如下：

S1、在***平台中输入N台风机基础相关设计参数，使这些参数集中在计算表某固定区域；

S2、点击批处理分析按键，启动***平台中采用VBA语言的程序，进行N台风机基础自动计算，进入步骤S3；

S3、步骤S3～S8为自动分析循环体，从第1台风机基础，逐个计算至第N台风机基础；***平台调用有限元参数计算模块，读取步骤S1中输入的第i台风机的各个参数，进行桩土作用曲线数据和有限元输入数据的计算，并将结果写入相关文件中；

S4、***平台调用ANSYS程序读取STA.MAC宏文件，进行第i台风机基础极限工况分析，并将结果写入相关文件中；

S5、***平台调用ANSYS程序读取MOD.MAC宏文件，进行第i台风机基础模态分析，并将结果写入相关文件中；

S6、***平台调用ANSYS程序读取EQK.MAC宏文件，进行第i台风机基础地震反应谱分析，并将结果写入相关文件中；

S7、在***平台EXCEL中，读取第i台风机基础各个有限元工况的计算结果至指定区域，进行规范校核，并将校核结果输出至指定区域；

S8、判断i是否大于风电场总风机台数N，若判断为否，则表明尚有风机基础有待分析，将i+1赋值给i，返还至步骤S3，继续循环分析；若判断为是，则表明所有风机基础均分析完成，进入步骤S9；

S9、完成所有风机基础计算，退出循环，结束分析。

本发明与现有技术相比，专业针对性更强、自动化程度更高，可提高海上风机基础有限元分析工作的效率，降低分析人员的技术门槛和培训时间，减少各种人工操作步骤，方便校核和变更工作，减少纰漏提高质量，是海上风电大规模开发强有力的技术工具，可大大提高计算分析工作效率和质量，具有非常广阔的推广价值和很高的经济效益，具体表现为：

(1)参数输入界面采用技术人员熟悉的办公软件EXCEL，界面友好，操作快捷，避免对MATLAB、ANSYS等专业性较强的软件的直接操作，大大降低了设计人员的技术要求；

(2)利用该自动分析***，仅需点击一个按键即可实现几十台甚至上百台风机基础各种工况的自动分析，使设计人员摆脱了大量简单、重复的软件操作，使有限元建模分析的时间降低为常规设计的10％以下，大大提高了设计工作效率和质量，特别适用于海上风电大规模开发；

(3)可以实现不同风机基础各种输入参数的一表输入及各种工况分析结果的一表输出，使设计人员对整个风电场所有风机基础信息一目了然，便于设计校对和汇总；

(4)针对海上风电场开发过程中，经常出现的设计方案变更、风机厂家资料更新、地质数据更新等情况，利用该***可快速完成几十台甚至上百台风机基础分析结果的更新；

(5)可实现海生物、附连水质量、桩内水质量的自动模拟，自动考虑其对基础结构自振频率的影响；

(6)利用该自动分析***，可快速实现风机基础各种设计参数如桩长、桩径、壁厚、水深、荷载、地质等的敏感性分析，得到规律性的结论，为工程设计提供参考；

(7)利用该自动分析***，可快速完成风机基础的优化工作，保证项目的安全性和经济性，达到海上风电场开发“降本增效”的目的，促进海上风电平价上网的实现。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种海上风机基础结构自动分析***，其特征在于：包括基于EXCEL的***平台、基于MATLAB程序的有限元参数计算模块以及基于ANSYS程序的有限元结构分析模块；

所述***平台采用办公软件EXCEL为界面，利用EXCEL自带的VBA语言进行编程，实现MATLAB程序、ANSYS程序的自动调用以及N台风机基础的一键批处理自动分析；

所述有限元参数计算模块一方面基于MATLAB程序完成不同土层的桩土作用曲线的计算，自动生成相关数据文件和曲线图片供***平台读取，另一方面自动读取***平台中输入的相关设计参数，并以指定数据格式生成结果文件，供有限元结构分析模块中的ANSYS宏文件进行调用；

所述有限元结构分析模块采用ANSYS参数化语言APDL进行编程，自动读取参数进行自动建模、自动工况组合、自动分析并输出结果，以完成极限工况分析、模态分析和地震反应谱分析；其中，极限工况分析、模态分析和地震反应谱分析命令流分别以STA.MAC、MOD.MAC及EQK.MAC宏文件形式出现，由***平台EXCEL自动调用；

所述***平台采用VBA语言实现从MATLAB计算结果文件和ANSYS计算结果文件中分别读取桩土曲线计算结果和有限元结构分析结果至计算表相应区域，再根据计算结果和规范要求采用VBA语言对海上风机基础结构进行规范校核和列表展示。

2.根据权利要求1所述的海上风机基础结构自动分析***，其特征在于：所述***平台EXCEL指定区域中输入的相关设计参数包括：基础参数、地质资料、地震参数、环境参数、风机及塔筒参数；所述地震参数包括抗震设防烈度、设计地震分组、场地类别；所述环境参数包括水深、冲刷深度、波高、波周期、流速、风压；所述风机及塔筒参数包括重量重心、塔筒直径、长度、壁厚、风机荷载。

3.根据权利要求2所述的海上风机基础结构自动分析***，其特征在于：所述有限元结构分析模块采用ANSYS程序进行模态分析时，自动计算海生物、附连水质量、桩体内部充水质量的影响。

4.根据权利要求3所述的海上风机基础结构自动分析***，其特征在于：所述有限元结构分析模块采用ANSYS程序进行地震反应谱分析时，风机反力作用点位于其单桩顶部，为解决塔筒结构与桩体结构变形的连续性问题，采用ANSYS单元生死技术进行模拟。

5.一种如权利要求4所述的海上风机基础结构自动分析***的运行方法，其特征在于：所述方法的整体流程如下：

S1、在***平台中输入N台风机基础相关设计参数，使这些参数集中在计算表某固定区域；

S2、点击批处理分析按键，启动***平台中采用VBA语言的程序，进行N台风机基础自动计算，进入步骤S3；

S3、步骤S3～S8为自动分析循环体，从第1台风机基础，逐个计算至第N台风机基础；***平台调用有限元参数计算模块，读取步骤S1中输入的第i台风机的各个参数，进行桩土作用曲线数据和有限元输入数据的计算，并将结果写入相关文件中；

S4、***平台调用ANSYS程序读取STA.MAC宏文件，进行第i台风机基础极限工况分析，并将结果写入相关文件中；

S5、***平台调用ANSYS程序读取MOD.MAC宏文件，进行第i台风机基础模态分析，并将结果写入相关文件中；

S6、***平台调用ANSYS程序读取EQK.MAC宏文件，进行第i台风机基础地震反应谱分析，并将结果写入相关文件中；

S7、在***平台EXCEL中，读取第i台风机基础各个有限元工况的计算结果至指定区域，进行规范校核，并将校核结果输出至指定区域；

S8、判断i是否大于风电场总风机台数N，若判断为否，则表明尚有风机基础有待分析，将i+1赋值给i，返还至步骤S3，继续循环分析；若判断为是，则表明所有风机基础均分析完成，进入步骤S9；

S9、完成所有风机基础计算，退出循环，结束分析。