[发明专利]基于代理模型的海上风机支撑结构优化设计方法及系统

说明书

本发明公开基于代理模型的海上风机支撑结构优化设计方法及系统及系统，方法基于Kriging代理模型建立不同容量大小海上风电机组的支撑结构设计参数与优化设计的结构性能响应之间的关系，同时对塔架和单桩基础进行优化设计以找到整体支撑结构质量最轻的优化设计；采用本发明所述方法能够避免海上风机支撑结构优化设计时陷入局部最优解，导致找到的只是塔架或者单桩最轻设计的问题；采用本发明所用的方法和流程，在载荷计算后同时对塔架和基础结构进行校核和优化设计，能找到全局最优设计，使得结构整体性更强，刚度分布更均匀，受力更合理，最终达到整体支撑结构重量最轻，基于代理模型进行优化设计减少需要的计算机模拟结构分析次数，提高优化效率。

技术领域

本发明属于海上风力发电机组支撑结构设计技术领域，具体涉及基于代理模型的海上风机支撑结构优化设计方法及系统。

背景技术

受益于风电的技术进步和规模扩大，风电机组价格、风电开发投资成本及运行维护成本呈现不断下降趋势。从风电机组价格来看，海上风机支撑结构包括塔架和基础两部分：风机塔架成本约占海上风电项目投资成本8％左右，海上风机基础主要包括单桩、导管架、高桩承台等不同基础形式，一般占海上风电项目投资成本的14％左右，即整体支撑结构成本在总建设成本中占比约22％左右。因此，降低海上风电支撑结构成本能够有效降低海上风电的平准化度电成本。

当前国内海上风电项目在招投标时通常采用分步迭代设计方法，一般由风机厂家给出塔架设计并担保塔架工程量，评标过程中会对塔架重量进行排名和评分；标后详细设计阶段时风机厂家和设计院依次分别对塔架和基础进行优化设计。在此流程下，风机厂家会尽可能给出塔架最轻的局部最优设计方案，而塔架最轻的设计往往不是整体支撑结构最轻的全局最优设计方案。目前已有的研究往往只对整体支撑结构的一部分(塔架或者基础)进行优化设计，因此得到的结果具有一定局限性。

在设计海上风机支撑结构时都包含了三部分：载荷计算、塔架设计和基础设计。

1)载荷计算

海上风电支撑结构受到风、浪、流等多种环境载荷的联合作用。行业内大部分风机厂家采用GH-Bladed进行一体化建模和载荷计算。

一体化建模包含环境条件输入和整体支撑结构模型搭建两方面。其中，环境条件包括风资源参数、海洋水文参数、工程地质参数及其他特殊工况(海冰、地震、台风等)；整体支撑结构模型包括机头、塔架、泥面以上结构和基础(也可统称为基础结构)。

载荷计算中考虑了风浪异向作用，根据IEC规范需要考虑正常发电、紧急停机、开机、正常停机、空转、维修等多种工况，根据风浪联合分布可分成多达20000多个工况。

2)塔架设计

塔架设计中，需要进行塔架主体及局部结构的极限强度、屈曲强度和疲劳强度校核。极限强度校核包括塔架筒体、塔架法兰、门洞及海缆孔、锚栓笼等局部结构的校核；屈曲强度校核包括塔架筒体和门洞海缆孔等结构的校核；疲劳强度校核包括塔架筒体焊缝、法兰连接螺栓、门框及海缆孔、顶法兰、锚栓笼等结构的校核。

3)基础设计

在基础结构主体设计中，主要包含极限海况下的强度承载力分析、正常服役工况分析、船撞分析、地震工况分析等。荷载组合中考虑可能出现的最不利水位下的波浪、海流与风机运行载荷的极端组合作用。疲劳强度分析利用S-N曲线与Miner线性累计损伤理论进行疲劳计算。分别计算各个管节点在疲劳荷载作用下累积损伤程度，利用累积损伤程度评估结构的抗疲劳设计安全性。