CN115828359A - 一种风电试验台基础的安全评估方法、***、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种风电机组试验台基础的安全评估方法、***、设备及介质，所述评估方法通过获取试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数，利用预先构建的有限元模型对试验台基础工作时的受力情况进行模拟，获得试验台基础的极限载荷和疲劳载荷，基于固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核，从而实现对试验台基础设计安全性的准确评估。

Description

一种风电试验台基础的安全评估方法、***、设备及介质

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电试验台基础的安全评估方法、***、设备及介质。

背景技术

随着风电技术的成熟，风电行业进入了快速增长期。相应的，风电机组容量和尺寸不断增大。风电机组在投入市场前，为验证核心部件的工作性能，风机厂家往往需要在大型试验台上对核心大部件，尤其叶片及传动链，进行1：1实体工况试验。作为试验台运行的最基本结构，试验台基础，应该提供足够的刚性支撑、承担所有载荷(包括重力、反作用力)等。为有效评估试验台安全性能或评估已建成试验台的最大测试能力，急需一套规范化的试验台安全评估流程。

目前，风电机组大型试验台多为叶片试验台。传动链、叶片试验台的设计、缺少对应的标准指导设计校核工作，往往安全系数取值较保守。随着风电机组容量逐渐增大，对试验台的测试能力提出了更高要求，试验台基础要承受更大的载荷，且随着风机容量呈现非线性增加，以往通过提高安全系数方式设计试验台造成建造及施工难度大大增大。而目前，基础的设计校核工作主要参考建筑行业相应标准，没有统一的计算校核流程。另外，风电机组试验台如传动链试验台、叶片试验台需要经历动态载荷，试验台基础在设计校核时需要考虑动态载荷的影响。因此缺少统一的安全评估方法。

发明内容

为了解决目前风电机组试验台基础的设计安全校核缺乏统一的安全评估方法和流程，且计算校核结果不准确的问题，本发明提出了一种风电机组试验台基础的安全评估方法，所述安全评估方法包括：

获取所述试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数；

分别将所述极端工况参数、运行工况参数和地震工况参数代入预先构建的有限元模型，利用所述有限元模型对所述试验台基础进行受力模拟，获得所述试验台基础的极限载荷和疲劳载荷；

基于所述固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对所述试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核；

其中，所述固有参数包括所述试验台基础的土力学参数、结构参数和力学性能参数。

优选的，所述极限载荷包括桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷，所述疲劳载荷包括混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力。

优选的，所述基于所述极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对所述试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核包括：

基于所述桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷对所述桩腿进行承载力校核；

基于所述混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及所述钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力对所述试验台基础的钢混部位进行疲劳强度校核，所述钢混部位包括桩基承台、所述桩基承台上部的支撑结构和所述桩基承台内部的锚固装置。

优选的，所述基于所述桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷对所述桩腿进行承载力校核包括：

基于所述土力学参数分别结合最大拉伸承载力计算式和最大压缩承载力计算式计算得到所述桩腿的最大拉伸承载力和最大压缩承载力；

分别将所述最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷与所述最大拉伸承载力和最大压缩承载力进行比较，若所述最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷分别小于所述最大拉伸承载力和最大压缩承载力，则所述桩腿的承载力合格，否则，所述桩腿的承载力不合格。

优选的，所述最大拉伸承载力计算式如下式所示：

式中，F_a为单桩的最大拉伸承载力，R_s为侧摩阻力，R_b为桩端阻力，m为拉伸承载力折减系数，fs_i为第i个土层桩周岩土极限摩阻力特征值，f_p为第i个土层桩端岩土极限端阻力特征值，thk_i为第i个地质剖面土层的厚度，D为桩腿的直径，n为地质剖面土层的总层数。

优选的，所述最大压缩承载力计算式如下式所示：

式中，F_a′为单桩的最大压缩承载力，R_s为侧摩阻力，R_b为桩端阻力，c为压缩承载力折减系数，fs_i为第i个土层桩周岩土极限摩阻力特征值，f_p为第i个土层桩端岩土极限端阻力特征值，thk_i为第i个地质剖面土层的厚度，D为桩腿的直径，n为地质剖面土层的总层数。

优选的，所述基于所述混凝土最大压缩应力和最小压缩应力及所述钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力对所述试验台基础的钢混部位进行疲劳强度校核包括：

基于混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力结合混凝土最大载荷次数计算式计算得到混凝土在交变应力下可承受的最大载荷次数，基于钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力结合钢筋的S-N曲线公式计算得到钢筋在交变应力下可承受的最大载荷次数；

若混凝土的实际加载次数与混凝土可承受的最大载荷次数的比值及钢筋的实际加载次数与钢筋可承受的最大载荷次数的比值均小于1，则所述钢混结构的疲劳强度合格，否则，所述钢混结构的疲劳强度不合格。

优选的，所述混凝土最大载荷次数计算式如下式所示：

式中，N₁为混凝土在交变应力下可承受的最大载荷次数，E_cd，max为混凝土的最大压缩应力水平，R_i为混凝土的应力比值。

优选的，所述曲线公式如下式所示：

式中，Δσ为交变应力的幅值，N为钢筋在交变应力下可承受的最大载荷次数，N^*为10⁶，k₁、k₂分别为钢筋的S-N曲线上logN^*对应位置两侧的曲线斜率。

优选的，所述安全评估方法还包括：

利用所述有限元模型对所述试验台基础进行模态计算，得到所述试验台基础的模态频率；

将所述模态频率与待试验的风电机组的转动频率范围进行比较，若所述模态频率落在所述转动频率范围内，则所述试验台基础的刚度不合格，否则，所述试验台基础的刚度合格。

优选的，所述安全评估方法还包括：

采用壳单元建立所述桩基承台和所述支撑结构的有限元模型，采用梁单元建立所述桩腿的有限元模型；

为所述桩腿的有限元模型设置边界条件，所述边界条件包括水平刚度系数、垂向刚度系数和旋转刚度系数；

由所述桩基承台和所述支撑结构的有限元模型、所述桩腿的有限元模型及所述边界条件构建所述试验台基础的有限元模型。

优选的，所述为所述桩腿的有限元模型设置边界条件包括：

基于所述桩腿的结构参数和力学性能参数分别结合水平刚度系数式、桩端垂向刚度系数式和旋转刚度系数式设置所述水平刚度系数、垂向刚度系数和旋转刚度系数。

优选的，所述水平刚度系数式如下式所示：

其中，K_h为沿桩长布置的水平刚度系数，L为桩腿埋深长度，T为弹性长度，EI为抗弯刚度，E为弹性模量，I为截面惯性矩。

优选的，所述桩端垂向刚度系数式如下式所示：

其中，K_v为桩端垂向刚度系数，N_p为桩承受的垂直压缩载荷，s为桩承受的垂直压缩载荷下沉降值，Q_h为沉降载荷，L_c为计算长度，D为桩腿的直径，A为桩截面净面积，E为弹性模量。

优选的，所述旋转刚度系数式如下式所示：

其中，K_θ为旋转刚度系数，L为桩腿埋深长度，T为弹性长度，EI为抗弯刚度，E为弹性模量，I为截面惯性矩。

优选的，所述壳单元为4节点。

基于同一发明思路，本发明还提出一种风电机组试验台基础的安全评估***，该安全评估***包括：

获取模块，用于获取所述试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数；

模拟模块，用于分别将所述极端工况参数、运行工况参数和地震工况参数代入预先构建的有限元模型，利用所述有限元模型对所述试验台基础进行受力模拟，获得所述试验台基础的极限载荷和疲劳载荷；

校核模块，用于基于所述固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对所述试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核；

其中，所述固有参数包括所述试验台基础的土力学参数、结构参数和力学性能参数。

优选的，所述校核模块包括：

极限强度校核单元，用于基于桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷对所述桩腿进行承载力校核；

疲劳强度校核单元，用于基于混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力对所述试验台基础的钢混部位进行疲劳强度校核，所述钢混部位包括桩基承台、锚固装置和所述桩基承台上部的支撑结构。。

基于同一发明思路，本发明还提出一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；所述处理器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现本发明提出的一种风电机组试验台基础的安全评估方法。

基于同一发明思路，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现本发明提出的一种风电机组试验台基础的安全评估方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种风电机组试验台基础的安全评估方法及***，通过获取试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数，利用预先构建的有限元模型对试验台基础工作时的受力情况进行模拟，获得试验台基础的极限载荷和疲劳载荷，基于固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核，从而实现对试验台基础设计安全性的准确评估。

附图说明

图1为本发明提供的一种风电机组试验台基础的安全评估方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种大型风电机组试验台基础的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的试验台基础的安全评估流程示意图；

图4为本发明实施例1提供的试验台基础的钢筋的S-N曲线示意图；

图5为本发明实施例1提供的试验台基础的锚固装置的四个安全校核位置的示意图；

附图标记：1、桩腿；2、桩基承台；3、支撑结构；4、锚固装置。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

一台大型的风电机组试验台基础，如图2所示，主要由桩腿1、桩基承台2、支撑结构3、锚固装置4组成。外部载荷通过锚固装置4、桩基承台2最终传递给桩腿1。

本实施例提供一种风电机组试验台基础的安全评估方法，对该试验台基础的设计结构进行安全评估，如图1所示，该安全评估方法包括：

步骤1：获取试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数；

步骤2：分别将极端工况参数、运行工况参数和地震工况参数代入预先构建的有限元模型，利用有限元模型对试验台基础进行受力模拟，获得试验台基础的极限载荷和疲劳载荷；

步骤3：基于固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核；

其中，固有参数包括试验台基础的土力学参数、结构参数和力学性能参数。

该安全评估方法可用于对大型试验台基础的设计进行安全评估，更全面、准确的评估试验台基础全寿命周期内的安全性能，同时也用于评估已建成试验台的最大测试能力。

以下为该安全评估方法的具体实施过程。

在步骤1之前，首先建立试验台基础的有限元模型。

桩基承台2及上部的支撑结构3采用4节点壳单元进行模拟。桩腿1采用梁单元。边界条件：沿桩腿1方向布置弹簧，设置水平刚度系数、垂向刚度系数及旋转刚度系数(K_h、K_v、K_θ)。

沿桩长布置的水平刚度系数计算式为：

式中，K_h为水平刚度系数，L为桩腿埋深长度，E为弹性模量，I为截面惯性矩，EI为抗弯刚度，T为弹性长度。

对于砂质地质，弹性长度计算式为：

式中，T为弹性长度，EI为抗弯刚度，n_h为地质系数，根据土壤的松散程度确定(土壤越紧实，其数值越大)，取值1-20。

对于粘土地质，弹性长度计算式为：

式中，T为弹性长度，EI为抗弯刚度，s_u为无排水剪切强度。

桩腿的等效长度计算式为：

式中，L_eq为桩腿的等效长度，L为桩腿埋深长度，T为弹性长度。

截面惯性矩I的计算式为：

式中，D为桩腿的直径

桩端垂向刚度系数的计算式为：

式中，K_v为桩端垂向刚度系数，N_p为桩承受的垂直压缩载荷，s为桩承受的垂直压缩载荷下沉降值，Q_h为沉降载荷，L_c为计算长度(等于桩腿的等效长度减去1/3桩腿埋深长度)，D为桩腿的直径，A为桩截面净面积，E为弹性模量。

旋转刚度系数K_θ的计算式为：

其中，K_θ为旋转刚度系数，L为桩腿埋深长度，T为弹性长度，EI为抗弯刚度，E为E为弹性模量，I为截面惯性矩。

步骤1，首先确定风电机组试验台全寿命周期内的可能出现的全部工况，包括极端工况、各类运行工况及地震工况，工况模拟应考虑自重、各类可能的力及力矩组合以及分项安全系数。如有旋转结构需考虑扭矩、如有液压加载机构需考虑液压载荷等，明确试验台基础各类工况的运行参数，如载荷类型、载荷数值及运行次数。如图3所示，极端工况用于大部件极限强度校核，运行工况用于大部件疲劳强度校核。

步骤2，分别将极端工况参数、运行工况参数和地震工况参数代入预先构建的有限元模型，利用有限元模型对试验台基础进行受力模拟，获得试验台基础的极限载荷和疲劳载荷，极限载荷包括桩腿1的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷，疲劳载荷包括钢混部位的混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力，钢混部位如桩基承台2和支撑结构3，以及锚固装置4的位置III(混凝土锥面失效)和位置IV(在表面钢板受压下混凝土的失效)，如图5所示。基于试验台基础的固有参数如土力学参数、结构参数和力学性能参数及试验台基础的极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核。

(1)极限强度校核

a、桩腿1的承载力校核

采用最大承载力计算式计算桩腿的最大承载力；

根据土力学参数，采用下式计算单桩最大承载力：

F_max＝R_s+R_b

式中，F_max为单桩的最大承载力，R_s为侧摩阻力，R_b为桩端阻力。

侧摩阻力的计算式为：

式中，fs_i为第i个土层桩周岩土极限摩阻力特征值，D为桩腿直径，thk_i为第i个地质剖面土层的厚度。

桩端阻力的计算式为：

式中，f_p为第i个土层桩端岩土极限端阻力特征值。

将单桩最大拉伸载荷F_p、最大压缩载荷F_c分别与最大承载力比较，判断桩腿承载力是否合适。考虑到桩群效应，承载能力做相应的折减。压缩承载力折减系数采用0.85，拉伸承载力折减系数采用0.7。

折减后的最大拉伸承载力计算式为：

F_a＝(R_s+R_b)×m，

式中，F_a为单桩的最大拉伸承载力，R_s为侧摩阻力，R_b为桩端阻力，m为拉伸承载力折减系数，本实施例选取0.7。

折减后的最大压缩承载力计算式为：

F_a′＝(R_s+R_b)×c，

式中，F_a′为单桩的最大压缩承载力，R_s为侧摩阻力，R_b为桩端阻力，c为压缩承载力折减系数，本实施例选取0.85。

若桩腿1的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷分别小于最大拉伸承载力和最大压缩承载力，则桩腿1的承载能力合格，否则桩腿1的承载能力不合格。

还可以根据国标或欧标等认可标准计算极限工况下单桩最大弯矩，校核截面的配筋是否合理。

b、桩基承台2和支撑结构3的极限强度校核

通过有限元分析，分别找到桩基承台2和支撑结构3弯矩最大、剪力最大、轴向力最大的工况，用于开展：弯矩校核，检查弯曲配筋是否合理；剪力校核，检查剪力配筋是否合理。混凝土的分项安全系数可以取1.5，钢筋的分项安全系数可以为1.15。

c、锚固位置4的极限强度校核

如图5所示，根据实际受力特点，锚固装置4有四个重点安全校核位置：位置I的螺栓本体、位置II的螺栓本体接触的钢结构、位置III的混凝土锥面、位置IV的表面钢板下的混凝土。

利用试验台基础的有限元模型对试验台基础开展有限元分析，模拟各运行工况载荷，提取计算结果得到四个重点安全校核位置的极限应力，根据以下公式进行极限强度校核：

σ＝F/S≤σ_s

式中，σ为安全校核位置的极限应力，F为安全校核位置的极限载荷，S为安全校核位置的有效作用面积，σ_s为屈服极限。

(2)疲劳强度校核

a、钢混部位的疲劳强度校核

桩基承台2及支撑结构3均为钢混结构，分别对混凝土和钢筋在交变应力下可承受的最大载荷次数进行校核。

利用有限元模型开展有限元分析，找到所有运行工况中截面最大应力范围对应的工况，提取混凝土最大压缩应力σ_c，max、最小压缩应力σ_c，min，钢筋最大伸应力σ_s，max、钢筋最小拉伸应力σ_s，min。此工况视为在全服役周期唯一运行工况。此时，混凝土交变应力范围由下式确定：

σ_c，range＝σ_c，max-σ_c，min

式中，σ_c，range为混凝土交变应力范围，σ_c，max为混凝土最大压缩应力，σ_c，min为混凝土最小压缩应力。

1)混凝土

混凝土在交变应力范围σ_c，range下，可承受的最大载荷次数由下式确定：

式中，N₁为混凝土最大载荷次数，E_cd，max为最大压缩应力水平，R_i为最小压缩应力水平与最大压缩应力水平的比值。

最大压缩应力水平由下式计算：

式中，E_cd，max为混凝土的最大压缩应力水平，σ_c，max为混凝土的最大压缩应力，f_cd，fat为混凝土设计疲劳强度。

最小压缩应力水平由下式计算：

式中，E_cd，min为混凝土的最小压缩应力水平，σ_c，min为混凝土的最小压缩应力，f_cd，fat为混凝土设计疲劳强度。

应力比值由下式计算：

式中，R_i为应力比值，E_cd，min为最小压缩应力水平，E_cd，max为最大压缩应力水平。

混凝土设计疲劳强度由下式计算：

式中，f_cd，fat为混凝土设计疲劳强度，f_ck为混凝土轴心抗压强度标准值，由地质勘测土工试验试验得到，k为依赖于混凝土龄期的混凝土强度折减系数，β_cc为依赖于混凝土龄期的系数，γ_c为混凝土分项安全系数(永久、临时载荷取值1.5，意外载荷取值1.2)。

混凝土安全的判断准则为：实际加载次数与该最大载荷次数N的比值必须小于1。实际加载次数可由风机厂家根据测试风电机组传动链或者叶片全寿命周期内的场景提出。

2)钢筋

常见的直、弯钢筋(焊接、铰接除外)的S-N曲线如图4所示，曲线公式为：

式中：Δσ为钢筋的交变应力的幅值，N为钢筋在应力范围下可承受的最大载荷次数，k1、k2分别为钢筋的S-N曲线上logN^*对应位置两侧的曲线斜率，k1＝5；k2＝9，N^*＝10⁶，Δσ_Rsk为N^*对应的交变应力幅值，N^*对应的Δσ_Rsk＝162.5Mpa。

钢筋的交变应力的幅值Δσ由下式确定：

Δσ＝σ_s，range＝σ_s，max-σ_s，min

式中，σ_s，range为钢筋交变应力范围，σ_s，max为钢筋最大拉伸应力，σ_s，min为钢筋最小拉伸应力。

钢筋在交变应力范围σ_s，range下可承受的最大载荷次数N可由上述曲线公式确定。

钢筋安全的判断准则为：实际加载次数与该最大载荷次数N的比值必须小于1。实际加载次数可由风机厂家根据测试风电机组传动链或者叶片全寿命周期内的场景提出。

c、锚固装置

如图5所示，锚固装置4有四个重点安全校核位置。通过开展有限元分析，模拟试验台各运行工况载荷，提取计算结果得到四个重点安全校核位置的应力范围，根据欧标或国标通用的校核方法开展位置Ⅰ和位置Ⅱ的校核，位置Ⅲ失效模式为混凝土锥面失效、位置Ⅳ的失效模式为表面钢板受压下混凝土的失效，因此按照(2)a中钢混部位的疲劳强度校核对位置Ⅲ和位置Ⅳ进行疲劳强度校核。

(3)刚度校核

若试验台存在动态加载装置(比如传动链试验台有电机驱动装置或液压加载机构，叶片试验台有液压加载机构)，则需要开展振动分析，利用试验台基础的有限元模型对试验台基础开展模态计算，得到试验台各模态频率，避开旋转部件转动频率范围。

该安全评估方法适用于风力发电机组大型试验台基础的安全评估，基于试验台基础的固有参数和各类工况参数，利用有限元模型得到各部件的极限载荷和疲劳载荷，运用对应的校核方法分别对各部件如桩腿1、桩基承台2、支撑结构3和锚固装置4进行极限强度校核和疲劳强度校核，并根据实际的运行工况对试验台基础进行整体振动分析和刚度评估，从而实现对试验台基础的安全评估。该安全评估方法可以作为针对试验台基础安全复核的指导性方法。

实施例2：

本实施例提供了一种风电机组试验台基础的安全评估***，该安全评估***包括：

获取模块，用于获取试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数；

模拟模块，用于分别将极端工况参数、运行工况参数和地震工况参数代入预先构建的有限元模型，利用有限元模型对试验台基础进行受力模拟，获得试验台基础的极限载荷和疲劳载荷；

校核模块，用于基于固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核；

其中，固有参数包括试验台基础的土力学参数、结构参数和力学性能参数。

校核模块包括：

极限强度校核单元，用于基于桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷对桩腿进行承载力校核；

疲劳强度校核单元，用于基于混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力对试验台基础的钢混部位进行疲劳强度校核，钢混部位包括桩基承台、锚固装置和桩基承台上部的支撑结构。

该安全评估***还包括刚度校核模块，用于利用有限元模型对试验台基础进行模态计算，得到所述试验台基础的模态频率，并将模态频率与待试验的风电机组的转动频率范围进行比较，对试验台基础的刚度进行校核。

该安全评估***还包括有限元建模模块，用于采用壳单元建立桩基承台和所述支撑结构的有限元模型，采用梁单元建立桩腿的有限元模型，设置桩腿有限元模型的边界条件，并由以上各部件的有限元模型及边界条件构建试验台基础的有限元模型。

实施例3：

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行计算机存储器存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例1中一种风电机组试验台基础的安全评估方法的步骤。

实施例4：

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作***。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例1中一种风电机组试验台基础的安全评估方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在发明待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (20)

1.一种风电机组试验台基础的安全评估方法，其特征在于，所述安全评估方法包括：

获取所述试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数；

分别将所述极端工况参数、运行工况参数和地震工况参数代入预先构建的有限元模型，利用所述有限元模型对所述试验台基础进行受力模拟，获得所述试验台基础的极限载荷和疲劳载荷；

基于所述固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对所述试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核；

其中，所述固有参数包括所述试验台基础的土力学参数、结构参数和力学性能参数。

2.如权利要求1所述的安全评估方法，其特征在于，所述极限载荷包括桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷，所述疲劳载荷包括混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力。

3.如权利要求2所述的安全评估方法，其特征在于，所述基于所述极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对所述试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核包括：

基于所述桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷对所述桩腿进行承载力校核；

基于所述混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及所述钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力对所述试验台基础的钢混部位进行疲劳强度校核，所述钢混部位包括桩基承台、所述桩基承台上部的支撑结构和所述桩基承台内部的锚固装置。

4.如权利要求3所述的安全评估方法，其特征在于，所述基于所述桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷对所述桩腿进行承载力校核包括：

基于所述土力学参数分别结合最大拉伸承载力计算式和最大压缩承载力计算式计算得到所述桩腿的最大拉伸承载力和最大压缩承载力；

分别将所述最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷与所述最大拉伸承载力和最大压缩承载力进行比较，若所述最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷分别小于所述最大拉伸承载力和最大压缩承载力，则所述桩腿的承载力合格，否则，所述桩腿的承载力不合格。

5.如权利要求4所述的安全评估方法，其特征在于，所述最大拉伸承载力计算式如下式所示：

式中，F_a为单桩的最大拉伸承载力，R_s为侧摩阻力，R_b为桩端阻力，m为拉伸承载力折减系数，fs_i为第i个土层桩周岩土极限摩阻力特征值，f_p为第i个土层桩端岩土极限端阻力特征值，thk_i为第i个地质剖面土层的厚度，D为桩腿的直径，n为地质剖面土层的总层数。

6.如权利要求4所述的安全评估方法，其特征在于，所述最大压缩承载力计算式如下式所示：

式中，F_a′为单桩的最大压缩承载力，R_s为侧摩阻力，R_b为桩端阻力，c为压缩承载力折减系数，fs_i为第i个土层桩周岩土极限摩阻力特征值，f_p为第i个土层桩端岩土极限端阻力特征值，thk_i为第i个地质剖面土层的厚度，D为桩腿的直径，n为地质剖面土层的总层数。

7.如权利要求3所述的安全评估方法，其特征在于，所述基于所述混凝土最大压缩应力和最小压缩应力及所述钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力对所述试验台基础的钢混部位进行疲劳强度校核包括：

基于混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力结合混凝土最大载荷次数计算式计算得到混凝土在交变应力下可承受的最大载荷次数，基于钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力结合钢筋的S-N曲线公式计算得到钢筋在交变应力下可承受的最大载荷次数；

若混凝土的实际加载次数与混凝土可承受的最大载荷次数的比值及钢筋的实际加载次数与钢筋可承受的最大载荷次数的比值均小于1，则所述钢混结构的疲劳强度合格，否则，所述钢混结构的疲劳强度不合格。

8.如权利要求7所述的安全评估方法，其特征在于，所述混凝土最大载荷次数计算式如下式所示：

式中，N₁为混凝土在交变应力下可承受的最大载荷次数，E_cd，max为混凝土的最大压缩应力水平，R_i为混凝土的应力比值。

9.如权利要求7所述的安全评估方法，其特征在于，所述曲线公式如下式所示：

式中，Δσ为交变应力的幅值，N为钢筋在交变应力下可承受的最大载荷次数，N^*为10⁶，k1、k2分别为钢筋的S-N曲线上logN^*对应位置两侧的曲线斜率。

10.如权利要求1所述的安全评估方法，其特征在于，所述安全评估方法还包括：

利用所述有限元模型对所述试验台基础进行模态计算，得到所述试验台基础的模态频率；

将所述模态频率与待试验的风电机组的转动频率范围进行比较，若所述模态频率落在所述转动频率范围内，则所述试验台基础的刚度不合格，否则，所述试验台基础的刚度合格。

11.如权利要求3所述的安全评估方法，其特征在于，所述安全评估方法还包括：

采用壳单元建立所述桩基承台和所述支撑结构的有限元模型，采用梁单元建立所述桩腿的有限元模型；

为所述桩腿的有限元模型设置边界条件，所述边界条件包括水平刚度系数、垂向刚度系数和旋转刚度系数；

由所述桩基承台和所述支撑结构的有限元模型、所述桩腿的有限元模型及所述边界条件构建所述试验台基础的有限元模型。

12.如权利要求11所述的安全评估方法，其特征在于，所述为所述桩腿的有限元模型设置边界条件包括：

基于所述桩腿的结构参数和力学性能参数分别结合水平刚度系数式、桩端垂向刚度系数式和旋转刚度系数式设置所述水平刚度系数、垂向刚度系数和旋转刚度系数。

13.如权利要求12所述的安全评估方法，其特征在于，所述水平刚度系数式如下式所示：

其中，K_h为沿桩长布置的水平刚度系数，L为桩腿埋深长度，T为弹性长度，EI为抗弯刚度，E为弹性模量，I为截面惯性矩。

14.如权利要求12所述的安全评估方法，其特征在于，所述桩端垂向刚度系数式如下式所示：

其中，K_v为桩端垂向刚度系数，N_p为桩承受的垂直压缩载荷，s为桩承受的垂直压缩载荷下沉降值，Q_h为沉降载荷，L_c为计算长度，D为桩腿的直径，A为桩截面净面积，E为弹性模量。

15.如权利要求12所述的安全评估方法，其特征在于，所述旋转刚度系数式如下式所示：

其中，K_θ为旋转刚度系数，L为桩腿埋深长度，T为弹性长度，EI为抗弯刚度，E为弹性模量，I为截面惯性矩。

16.如权利要求11所述的安全评估方法，其特征在于，所述壳单元为4节点。

17.一种风电机组试验台基础的安全评估***，其特征在于，该安全评估***包括：

获取模块，用于获取所述试验台基础的固有参数和全寿命周期内的极端工况参数、运行工况参数及地震工况参数；

模拟模块，用于分别将所述极端工况参数、运行工况参数和地震工况参数代入预先构建的有限元模型，利用所述有限元模型对所述试验台基础进行受力模拟，获得所述试验台基础的极限载荷和疲劳载荷；

校核模块，用于基于所述固有参数、极端工况参数、运行工况参数、地震工况参数、极限载荷和疲劳载荷对所述试验台基础进行极限强度校核和疲劳强度校核；

其中，所述固有参数包括所述试验台基础的土力学参数、结构参数和力学性能参数。

18.如权利要求17所述的安全评估***，其特征在于，所述校核模块包括：

极限强度校核单元，用于基于桩腿的最大轴向拉伸载荷和最大轴向压缩载荷对所述桩腿进行承载力校核；

疲劳强度校核单元，用于基于混凝土的最大压缩应力和最小压缩应力及钢筋的最大拉伸应力和最小拉伸应力对所述试验台基础的钢混部位进行疲劳强度校核，所述钢混部位包括桩基承台、锚固装置和所述桩基承台上部的支撑结构。

19.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；所述处理器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1-16任一项所述的一种风电机组试验台基础的安全评估方法。

20.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1-16任一项所述的一种风电机组试验台基础的安全评估方法。

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