循环反应桶基础的分析基于简化的随动强化模型

文摘

桶基础海上风力涡轮机的反应循环荷载作用下饱和粘土通过三维有限元数值分析探讨。分析,非线性粘土不排水条件下的循环滞回行为建模通过一个简单的运动硬化本构模型嵌入有限元分析。验证了有限元模型对出版的准静态循环加载条件下的原位测试桶基础在Bothkennar粘土。同意的计算结果一般与原位测试。桶的行为基础位移控制循环荷载作用下不同纵横比模式研究。然后,基础位移的演变与越来越多的周期研究受到风和波加载相结合。结果表明,低烈度的周期旋转,无量纲moment-rotation曲线大约是弹性;然而,曲线产生明显的磁滞回线的形状是影响soil-sidewall界面条件下,在高烈度周期。在成千上万的加载周期,桶基础长宽比低,振动位移组件更小;然而,剩余部分将逐渐积累,直到超过可服务性旋转。 For foundations of high aspect ratio, the oscillatory component is relatively larger, but the accumulation rate of residual displacement decreases gradually.

1。介绍

不可再生资源的逐渐消耗,增加电力短缺,国际上正在努力开发海上风能。作为一种新型的海洋基金会,桶形基础逐渐被广泛使用在建设海上风力涡轮机1]。力作用在很大程度上取决与海上风力涡轮机的桶形基础的海上平台。上塔的垂直荷载和涡轮叶片相对较小,而水平荷载和组件是较大的。此外,海上风力涡轮机的桶形基础承受反复加载大量的周期在其使用寿命(2]。周围的土壤基础可能产生塑性应变积累和过度的位移,从而恶化发电机的正常运行。这是指出,长期的循环反应通常是重要的设计在风能行业情况,而承载力是主导设计在石油和天然气工业。

桶形基础的稳定性对近海风力涡轮机组合载荷作用下被风扇等人研究了,刘et al .,和桶基础的破坏包络线的特点分析了不同负荷下组件(3,4]。然而,这些作品仅限于静态加载和不考虑循环荷载下的力学行为的基础。Kourkoulis等人研究了桶形基础的循环反应在粘土,但更关注地震响应和周期的数量不超过10倍(5]。桶形基础的行为循环加载和倾斜荷载作用下进行了研究,分别从满刻度原位试验和模型试验压力室(6,7]。刚度和负载之间的关系程度的桶形基础和土壤的耦合系统是获得这些测试(6,7]。朱等人进行了高负荷的桶形基础在沙质土壤和获得水平位移之间的关系以及旋转角度的基础和周期的数量(8]。桶形基础的长期动态加载测试砂是由巴塔查里亚等人分析地基基础耦合系统的动态特性在频域9]。桶形基础的力学响应研究近海风力涡轮机在循环荷载下粘土,在报纸上,随动强化模型是用来模拟在不排水条件下饱和粘土的应力-应变关系。桶形基础的位移发展规律为3.5兆瓦海上风力涡轮机在风能和波浪载荷联合作用下将初步讨论。

2。本构模型的简要介绍

循环荷载作用下饱和粘土的应力-应变关系是非常复杂的。先进的基于有效应力的弹塑性本构模型在理论方面是完美的,但是它有很多本构参数来衡量。比在不排水分析固结方程或土体体积变化的约束条件应结合应用这种类型的本构模型。简化土与结构相互作用的分析,不排水条件下饱和粘土可以视为单相介质,采用总应力本构模型。其中,勒梅特,Chaboche提出了一个简单的随动强化模型最近已广泛应用(10- - - - - -12]。

线弹性应力应变关系采用弹性模型的一部分,只有两个参数的弹性模量E和泊松比是必需的。选择在不排水条件下,泊松比= 0.49。

模型的屈服函数 在哪里应力张量,应力张量,也是模型的运动硬化参数,控制的运动应力空间的屈服面。是各向同性硬化模型的参数,它的大小表示屈服面。在不排水条件下饱和粘土的产量只有与偏应力有关,但不要静水压力。因此可以表示如下: 在哪里偏应力张量和吗是偏离分量的压力。

塑性应变增量是由相关联的流动法则,如所示 在哪里塑性应变张量的增加和吗是等效塑性应变增量,可以表示为 。

的屈服应力模型由各向同性硬化法和控制运动硬化定律。各向同性硬化组件更改与等效塑性应变的积累在加载,如图所示 在哪里时的大小初始屈服面塑性应变发生和和模型参数。可能的最大变化的屈服面大小是定义的参数 。屈服面可以放大时的大小是一个正值,而负值可以用来显示应变软化粘土(12]。的变化率与等效塑性应变屈服面尺寸控制的参数 。

的表达在应力空间运动硬化组件 在哪里是初始运动硬化模量可以作为土的弹性模量E和控制压力,恢复的速度和等效塑性应变的积累。这个词的在方程(5)使这个模型非线性的运动硬化规律,以更好地模拟土壤循环载荷作用下的行为。在不排水条件下饱和粘土,其价值可以由以下公式: 在哪里是粘土的最大屈服应力,可以确定吗 和粘土的不排水抗剪强度,因为米塞斯强度失效准则采用这个模型。大小的初始屈服面, ,可选为 下面的建议Anastasopoulos et al。11]。的参数可以由拟合动态剪切模量之间的关系曲线G和剪切应变 ,通过动三轴试验或循环直接剪切试验。参数值的范围通常在0.1∼0.3之间。因此下面的方程可以用来计算的价值 :

3所示。原位测试的验证

验证中使用的随动强化模型的适用性,本文的原位循环荷载试验桶形基础由Houlsby et al。6数值模拟。在该测试中,桶形基础直径 和埋置深度 。桶的近似质量(包括附属物)是2000公斤,和桶上的垂直载荷测试由2400公斤增强混凝土砌块。准静态循环水平加载应用顶部的人字形的液压千斤顶放置4.23米以上沉箱的盖子。

有效的土壤容重Bothkennar 。不排水抗剪强度的最佳估计 ,在哪里年代_u在kPa和z是米的深度低于测试站点的基础。下面的建议Houlsby et al。6),土的弹性模量 。在缺乏其他土壤调查结果,在数值模拟中,参数选择 , ,和 。然后,根据方程(7),运动参数可以获得 。

在有限元模型中,摩擦接触对算法在有限元分析软件包13,14)是利用模拟接触反应soil-bucket接口。当正常的拉应力发展soil-bucket接口,土与桩之间发生分离。正常压力是压时,库仑摩擦定律是用来描述切向摩擦应力如下: 在哪里τf是界面上的限制摩擦应力,σn是正常的接触压力μ摩擦系数。摘要值μ= 0.7被选中。考虑施工扰动的影响,土壤强度的内部和外部的接口的桶形基础是作为 ,和换算系数。使用逆分析贯入阻力的桶形基础在测试网站,Houlsby等人建议减少因素是作为 (6]。

对比计算结果和测试结果如图1。在这个图中,和分别弯曲力矩和旋转角的顶部中心的基础。通过比较,可以看出,数值结果通常是在良好的协议与原位载荷试验,尽管本文中使用的运动硬化本构模型相对简单。计算结果合理预测的滞后响应和转动刚度降低米- - - - - -关系曲线。结果表明,提出的随动强化模型Lemaitre和Chaboche10)是适用于模拟之间的交互循环荷载作用下土壤和基础。

4所示。有限元模型

对于典型的3.5兆瓦海上风力涡轮机,塔和风力涡轮机是单独的质量 和 ,和转子中心的高度沉箱盖子 。土壤饱和硬粘土,其有效的单位重量 。均匀土的不排水抗剪强度 ,而对于非均质土壤,不排水抗剪强度随深度线性增加z, ,在哪里在海底不排水强度水平,是线性梯度增加。在本文中,假设 ; 。在运动学模型中,参数输入列如下: , , , , ,和 。可以看出,土壤参数η不会改变深度低于海底水平和土壤资料是一个常数。

桶形基础的直径 和壁厚 被认为是。发达有限元模型显示在图中2利用几何对称的问题。为了减少有限元模型的边界效应,土域的直径和厚度为6D和3D。土壤是建模与eight-noded六面体的连续体元素,集中在基础附近。

说明土壤特性的影响在桶形基础的循环反应,水桶和上塔的变形是不被认为是在模型中。桶形基础由刚体模拟壳元素,和塔梁模拟的元素。风力涡轮机是取代了一个集中质量元素顶部的塔,如图2。

考虑施工扰动的影响和长期循环荷载,摩擦薄层元素引入桶(周围的土壤15- - - - - -17]。这一层的元素的不排水强度 ,和换算系数被认为是0.3。桶壁之间的摩擦接触成对排列和薄层元素,它允许可能打破和滑动的界面。界面摩擦系数 假定。为了比较,完整的界面粘附的情况,也就是说, ,也进行了研究。在这种情况下,桶壁和土壤不能允许分离和滑移。

5。位移控制单调加载

桶形基础水平单调荷载作用下的极限容量进行了分析。有限元模型进行位移控制容易装载质量元素;即。,the height of application of the lateral displacement is 。两种情况的 和0.6进行了研究。moment-rotation计算曲线测量地面图所示3。在图3,米=跳频;θ=u/h,在那里F和u反应力和侧向位移的行动点。一个基金会的底部区域,年代_情况在地基土的不排水抗剪强度的基础。的力量配置文件选择,的价值年代_情况也是60 kPa的桶形基础长宽比吗l/D在非均匀土壤= 0.6。

它显示在图中3考虑界面扰动,目前能力远低于,当接口是完全结合。这表明,在桶形基础的分析,获得的能力而不考虑界面干扰太大,导致不安全的基础设计。通过比较图3(一个)与3 (b),可以看出嵌入容量增加而增加。例如,当长宽比从0.2增加到0.6,无量纲时间能力充分结合案件增加了约80%。据粗略的负载估计的预期3.5 MW风力涡轮机离岸英国,最大倾覆力矩发生在海底级别的120 MN (6]。它指出,l/D= 0.2,目前可以获得的米= 0.78广告_情况= 294 MN考虑不完善的接口。因此,低比例的基础设计等l/D= 0.2满足承载力的要求。

通过比较图3 (b)与3 (c),基金会在异构的无因次产能低于土壤13%和26%在均匀土壤中全键和不完美的界面。能力低的机制,异构土壤相对于均匀土壤如图4。

如图4在横向负载下,桶形基础的不稳定模式通常是旋转的形式。在均匀土壤,弧形滑动面主要是位于外的基金会和经过深层土壤在桶里。然而,在非均匀土壤,浅层土壤的强度相对较低;因此滑动面桶仅限于浅层土壤,而不是延伸到深层土壤较高的强度。

6。位移控制循环荷载

调查的影响界面条件响应的桶形基础在循环荷载下,位移控制循环荷载进行了两方面的比率 和0.6,分别。等幅位移周期是应用在发动机舱的3.5 MW汽轮机,即。如图,质量元素2。位移周期按照正弦规律变化的时期 。两组分析包括施加位移振幅产生旋转 分别和0.05 rad。数据5和6描述循环moment-rotation图表的纵横比和接口条件。

如数据所示5和6小的循环荷载下,形成的磁滞回线moment-rotation关系曲线接近弹性响应,而磁滞回线的面积增加大型循环荷载作用下明显。结果表明,有一个大型循环荷载作用下土壤中显著的塑性变形,从而导致一个更大的能量耗散在soil-bucket耦合系统中,但磁滞回线的形状与接口条件。这个结论是一致的与Kourkoulis et al。5]。

完整的粘结界面条件,装卸路径通常遵守马斯规则,遵循骨架曲线,即。,单调加载曲线。然而,在不完美的界面条件下,第一个周期后的加载和卸载路径偏离骨架曲线和往往是被夷为平地。磁滞回线包围的面积低于全焊接条件下生产的。这是归因于这样一个事实:在第一次循环,形成一个不可恢复的差距的加载一边斗和周围的土壤,然后在随后的周期,这些裂缝的存在导致整体电阻的减少。

7所示。应对环境加载

海上风力涡轮机的桶形基础受到长期循环荷载从风和波在整个服务期间,和周围的土壤基础可能产生应变积累或刚度削弱,这将导致过度位移的基础,影响发电机的正常运行。为保证设备的正常运转,fixed-bottom海上风力涡轮机的累积旋转角度的基础不应超过0.2°,即。,大约3.5×10所示⁻³rad [9]^。所以桶侧循环荷载作用下地基的主要问题是预测多少旋转(或侧向位移)将出现在循环荷载的振幅。波加载有一段10秒的顺序,可以模拟slow-cyclic的方式。风荷载是公认的大得多的时期;因此它可以模拟在准静态行为。

在本节中,一个典型的3.5兆瓦海上风力涡轮机,它假定桶形基础是建立在15米水深。根据当前的守则,设计风荷载 假定,作用于rotor-nacelle大会的中心,泥线的距离是什么 。风荷载是结合设计波加载的 ,的高度 从泥线。波浪荷载的圆频率 ,在这T波的周期。

在有限元分析中,采用下面的加载场景:单调加载由于风,紧随其后的是一千年的循环加载波。根据可用的结果(18- - - - - -20.)所示的单向循环荷载已经普遍引起的累积塑性变形比双向循环荷载,所以本文中采用的加载场景更为保守。因此,旋转桶形基础的积累获得的周期数。

保持图清晰,最大,最小,平均每个周期中旋转角度给出了数据7和8顶部,底部,对应,分别和每个图的中间曲线。桶形基础在循环荷载下的旋转角度分解为剩余组件和振动组件 :

可以看出,在成千上万的加载周期,振荡组件桶形基础的较低的纵横比小于剩余组件 ,和剩余组件逐渐积累,直到超过容许值。振荡组件的数量只有10%的剩余组件吗 。然而,对于桶高纵横比的基础,振荡组件剩余部分的比例增加到23%∼26%,但剩余组件的堆积速率降低逐渐趋向于零。

从图7(一),考虑到不完美的界面的情况下,桶形基础积累的旋转 受到一千周期的侧向载荷超出了允许的旋转限制。完整的结合,虽然旋转一千周期的横向载荷作用下不达到正常使用极限,曲线代表剩余组件显示了上升趋势。考虑到离岸风力涡轮机预计将维持大约10⁸的循环加载在一段20年的服务21- - - - - -23)的旋转桶形基础长宽比 ,在充分结合的情况下,仍然有可能超过许用变形限制。从图8可以认识到,界面是否充分结合, 基础却几乎保持恒定的旋转,尽管越来越多的周期。的基础 和 符合要求的承载力;然而积累的旋转可能超过允许变形限制在服务期间;因此,应该谨慎用于工程实践。

8。结论

桶基础海上风力涡轮机的反应循环荷载作用下饱和粘土通过三维有限元数值分析探讨。验证了有限元模型对出版的准静态循环加载条件下的原位测试桶基础在Bothkennar粘土。可以得出以下结论:(1)位移控制循环荷载下,小幅度的周期旋转,无量纲moment-rotation曲线近似线性弹性;然而曲线产生显著的磁滞回线的形状是影响soil-sidewall界面条件下,在高烈度周期。(2)在成千上万的加载周期,桶基础长宽比低,振动位移的比值组件剩余组件仅为10%;然而剩余组件将逐渐积累,直到超过可服务性旋转。高纵横比的基础,剩余组件振荡分量的比例相对较大,但残余位移的堆积速率逐渐降低。(3)长宽比的桶形基础l/D低于0.2符合设计要求的承载力;然而,累积旋转可能超过允许变形限制在服务期间。

数据可用性

摘要从测试中获得的所有数据在这项研究中,并没有其他数据在文献中用于支持本研究。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

这个研究是在重大科技创新项目的支持下山东省重点研究和发展计划(2019 jzzy010125)和山东省自然科学基金项目(ZR2019MEE010、ZR2018BEE047和ZR2017MEE007)。

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