海上风电单桩基础冲刷动力测量方法、装置及介质与流程

本发明属于海上风电，更具体地，涉及一种海上风电单桩基础冲刷动力测量方法、装置及介质。

背景技术：

1、海上风电场的洋流环境复杂，基础建成后桩周水动力条件发生改变，波、流共同作用打破了原有泥沙输运平衡，形成不同深度的冲刷坑，直至重新达到水流-泥沙动力平衡。国内外学者对海上风电桩基冲刷问题展开了深入研究，相关研究方向包括：冲刷坑的形成及预测，参考《魏凯,王顺意,裘放,等.海上风电单桩基础海流局部冲刷及防护试验研究[j].太阳能学报,2021,42(09):338-343.》,《李绍武,杨航.水流作用下圆柱局部冲刷三维数值模拟[j].水道港口,2018,39(05):519-527.》，《王卫远,杨娟,李睿元.海上风电场风机桩基局部冲刷计算[j].水道港口,2012,33(01):57-60.》，《yang y,qi m,wang x,etal.experimental study of scour around pile groups in steady flows[j].oceanengineering,2020,195(1):106651.》、冲刷下桩基承载特性及动力响应，参考《刘润,王迎春,汪嘉钰,等.单侧冲刷对海上风电筒型基础稳定性影响研究[j].太阳能学报,2022,43(01):73-79.》，《qi g w,gao f p,randolph m f,et al.scour effects on p-y curvesfor shallowly embedded piles in sand[j].géotechnique,2016,66(8):648-660.》、桩基冲刷处理及防护技术，参考《净晓飞,刘国,柏延强,等.基于flow-3d的单桩海上风电基础防冲刷数值模拟研究[j].水道港口,2021,42(06):724-730.》，《nielsen aw,liu x,sumerb m.flow and bed shear stresses in scour protections around apile in acurrent[j].coastal engineering,2013,72:20-38.》。

2、海上风电基础结构设计需满足软-刚准则，风机整体系统的固有频率应介于一倍的叶片旋转频率和三倍的叶片旋转频率之间(参考《yuan c,melville b w,adams kn.scour at wind turbine tripod foundation under steady flow[j].oceanengineering,2017,141:277-282.》、《li j,guo y,lian j,et al.mechanisms,assessments,countermeasures,and prospects for offshore wind turbinefoundation scour research[j].ocean engineering,2023,281:114893.》)。目前海上风电冲刷后的动、静力研究手段主要包括数值模拟和室内试验。数值模拟方面，如《刘红军,杨奇.局部冲刷对风机支撑系统承载性能的影响[j].岩土力学,2018,39(02):722-727.》，建立了海上风机有限元模型，研究了冲刷后风机振动特性，揭示了静、动承载能力变化规律。《李芬,王屹之,洪子博,等.考虑冲刷深度的海上风机地震易损性研究[j].水利水运工程学报,2022(4):123-130.》研究了基础冲刷与地震同时作用下的风力机动力学特性，研究表明，地震荷载对风机正常工作有显著影响，但难以导致结构发生永久性破坏。

3、试验方面，《prendergast l j,gavin k,doherty p.an investigation into theeffect of scour on the natural frequency of an offshore wind turbine[j].oceanengineering,2015,101:1-11.》研究了不同土壤密度、土壤刚度基础发生冲刷后的风机动力响应规律，研究表明，对于松散砂质土地基，发生冲刷后风机振动频率降低更为显著。《陈琛,马宏旺,李玉韬,等.冲刷对海上风电单桩基础自振频率影响的研究[j].振动与冲击,2020,39(22):16-22.》研究了砂土基础冲刷对结构自振频率的影响规律，分析了冲刷深度、砂土密实度和等效嵌固长度对结构固有频率的影响。上述研究针对不同土质、冲刷深度、地震等工况，获得了一系列丰富成果，为海上风电冲刷后的安全评估提供了方法和依据。然而，海上风电冲刷动、静力现场监测成果较少，不同工况的风机动力响应对比研究仍不够充分，主要原因在于海上风电现场环境相对复杂，导致冲刷下的海上风电基础监测难度较大。

4、现有冲刷后单桩动力仿真研究往往仅针对部分风力机结构的动力响应，利用标准化风力机模型开展数值模拟研究，难以反映现场风机结构的工作状态。

技术实现思路

1、提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种海上风电单桩基础冲刷动力测量方法、装置及介质，以为工程中不同冲刷深度引起结构振动问题提供依据和支撑。

2、根据本发明的第一方案，提供了一种海上风电单桩基础冲刷动力测量方法，所述方法包括：

3、获取桩基的等效嵌固长度，并根据所述桩基的等效嵌固长度确定冲刷深度；

4、构建风力机结构动力学模型，所述风力机结构动力学模型表示为：

5、fr+fr*＝0(r＝1,2,…,n)

6、其中，fr表示广义主动力，是风力机中各个构件的重力、气动力和弹性力之和，fr*表示广义惯性力，是风力机中各个构件在惯性坐标系下的惯性力之和，r表示风力机中的构件数量，风力机中构件包括地基、塔架、机舱、轮毂和叶片；

7、生成湍流风场，通过叶素动量理论计算湍流风对叶片产生的风荷载；

8、采用p-m谱模拟非规则波频率分布，采用辐射绕射理论求解结构水动力荷载作为波浪荷载，所述波浪荷载为海上风电单桩所受波浪力；

9、风力机以设定参数模拟运行，计算不同冲刷深度下桩基与塔筒的动力响应规律。

10、进一步地，所述设定参数包括仿真模拟总时长、时域推进步长、初始状态风力机转速、初始浆距角以及变浆率。

11、进一步地，所述风力机以设定参数模拟运行，计算不同冲刷深度下桩基与塔筒的动力响应规律，具体包括：

12、风力机以设定参数模拟运行，获取不同冲刷深度下的塔顶处位移时、频域曲线和塔基处位移时、频域曲线；

13、根据不同冲刷深度下的塔顶处位移时、频域曲线和塔基处位移时、频域曲线确定风力机的安全工作频率。

14、进一步地，所述风力机以设定参数模拟运行，计算不同冲刷深度下桩基与塔筒的动力响应规律，还包括：

15、风力机以设定参数模拟运行，获取不同冲刷深度下的桩基弯矩响应曲线；

16、根据不同冲刷深度下的桩基弯矩响应曲线确定风力机的重要水平荷载。

17、进一步地，所述风力机以设定参数模拟运行，计算不同冲刷深度下桩基与塔筒的动力响应规律，还包括：

18、风力机以设定参数模拟运行，获取不同冲刷深度下的塔顶时程曲线；

19、对不同冲刷深度下的塔顶时程曲线作fft变换，获取风力机结构的固有频率衰减特性；

20、根据风力机结构的固有频率衰减特性以及风力机的安全工作频率，确定引起风机共振的临界冲刷深度阈值。

21、进一步地，所述根据风力机结构的固有频率衰减特性以及风力机的安全工作频率，确定引起风机共振的临界冲刷深度阈值，具体包括：

22、根据风力机的安全工作频率确定风力机结构的最小允许频率；

23、将风力机结构的固有频率低于风力机结构的最小允许频率的临界点所对应的冲刷深度作为临界冲刷深度阈值。

24、进一步地，通过如下方法获取桩基的等效嵌固长度：

25、通过如下公式计算泥面至桩基刚性嵌固点距离t：

26、t＝αt

27、

28、式中，α为系数；t为桩的相对刚度系数，单位：m；ep为桩材料弹性模量，单位：kn/m2；ip为桩截面惯性矩，单位：m4；m为水平抗力比例系数；b0为桩的换算宽度，单位：m；

29、等效嵌固长度le为：

30、le＝t+l

31、式中，l为泥面以上桩基长度。

32、进一步地，所述根据所述桩基的等效嵌固长度确定冲刷深度，具体包括：

33、假设冲刷深度按照设定间隔均匀增加，泥面至桩基刚性嵌固点距离t单调增加，对各冲刷深度下的等效嵌固长度做线性拟合，决定系数r2＝0.99，获得拟合曲线；

34、基于所述拟合曲线，通过桩基的等效嵌固长度确定冲刷深度。

35、根据本发明的第二技术方案，提供一种海上风电单桩基础冲刷动力测量装置，所述装置包括：

36、冲刷深度计算模块，被配置为获取桩基的等效嵌固长度，并根据所述桩基的等效嵌固长度确定冲刷深度；

37、动力学模块构建模块，被配置为构建风力机结构动力学模型，所述风力机结构动力学模型表示为：

38、fr+fr*＝0(r＝1,2,…,n)

39、其中，fr表示广义主动力，是风力机中各个构件的重力、气动力和弹性力之和，表示广义惯性力，是风力机中各个构件在惯性坐标系下的惯性力之和，r表示风力机中的构件数量，风力机中构件包括地基、塔架、机舱、轮毂和叶片；

40、风荷载计算模块，被配置为生成湍流风场，通过叶素动量理论计算湍流风对叶片产生的风荷载；

41、波浪荷载计算模块，被配置为采用p-m谱模拟非规则波频率分布，采用辐射绕射理论求解结构水动力荷载作为波浪荷载，所述波浪荷载为海上风电单桩所受波浪力；

42、动力响应计算模块，被配置为令风力机以设定参数模拟运行，计算不同冲刷深度下桩基与塔筒的动力响应规律。

43、进一步地，所述设定参数包括仿真模拟总时长、时域推进步长、初始状态风力机转速、初始浆距角以及变浆率。

44、进一步地，所述动力响应计算模块被进一步配置为：

45、风力机以设定参数模拟运行，获取不同冲刷深度下的塔顶处位移时、频域曲线和塔基处位移时、频域曲线；

46、根据不同冲刷深度下的塔顶处位移时、频域曲线和塔基处位移时、频域曲线确定风力机的安全工作频率。

47、进一步地，所述动力响应计算模块被进一步配置为：

48、风力机以设定参数模拟运行，获取不同冲刷深度下的桩基弯矩响应曲线；

49、根据不同冲刷深度下的桩基弯矩响应曲线确定风力机的重要水平荷载。

50、进一步地，所述动力响应计算模块被进一步配置为：

51、风力机以设定参数模拟运行，获取不同冲刷深度下的塔顶时程曲线；

52、对不同冲刷深度下的塔顶时程曲线作fft变换，获取风力机结构的固有频率衰减特性；

53、根据风力机结构的固有频率衰减特性以及风力机的安全工作频率，确定引起风机共振的临界冲刷深度阈值。

54、进一步地，所述动力响应计算模块被进一步配置为：

55、根据风力机的安全工作频率确定风力机结构的最小允许频率；

56、将风力机结构的固有频率低于风力机结构的最小允许频率的临界点所对应的冲刷深度作为临界冲刷深度阈值。

57、进一步地，所述冲刷深度计算模块被进一步配置为通过如下方法获取桩基的等效嵌固长度：

58、通过如下公式计算泥面至桩基刚性嵌固点距离t：

59、t＝αt

60、

61、式中，α为系数；t为桩的相对刚度系数，单位：m；ep为桩材料弹性模量，单位：kn/m2；ip为桩截面惯性矩，单位：m4；m为水平抗力比例系数；b0为桩的换算宽度，单位：m；

62、等效嵌固长度le为：

63、le＝t+l

64、式中，l为泥面以上桩基长度。

65、进一步地，所述冲刷深度计算模块被进一步配置为：

66、假设冲刷深度按照设定间隔均匀增加，泥面至桩基刚性嵌固点距离t单调增加，对各冲刷深度下的等效嵌固长度做线性拟合，决定系数r2＝0.99，获得拟合曲线；

67、基于所述拟合曲线，通过桩基的等效嵌固长度确定冲刷深度。

68、需要说明的是，本发明所述的装置与在先阐述的方法属于同一技术思路，能够起到的同样的技术效果，此处不赘述。

69、根据本发明的第三技术方案，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的方法。

70、本发明至少具有以下有益效果：

71、1)本发明考虑了桩基冲刷不同深度的柔性特征，通过改变桩基嵌固长度在风-浪-结构-地基环境下模拟了海上风力机动力响应，提取并分析结构的固有频率变化，通过多波束扫测获得风场实际冲刷深度，结合不同冲刷深度下仿真模型动力响应规律，给出了冲刷后单桩式海上风电基础安全性建议，并为后续风力机维护与监测提供依据。

72、2)本发明获得了不同冲刷深度下的桩基等效嵌固长度，计算结果表明，随着桩周冲刷深度的增加，基础的等效嵌固长度单调递增，且冲刷深度与等效嵌固长度间具有较强的线性关系，拟合直线决定系数r2为0.99。