一種考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型構建方法技術方案

本發明專利技術涉及一種考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型構建方法，本等效時域模型構建方法包括如下步驟：步驟S1，規格化土與風機基礎動力相互作用的振動阻抗并將其表示成動柔度；步驟S2，利用切比雪夫復多項式擬合動柔度并表示成遞歸函數形式，建立表征土與風機基礎動力相互作用的遞歸物理模型，以此確定該遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數；以及步驟S3，建立考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型。本發明專利技術用于計算水平激振下考慮土與基礎動力相互作用的風機系統響應時，由于遞歸物理模型不含質量元，因此無需對輸入基礎的水平動力荷載進行修正，使得該模型在實際工程中的應用更直接方便。此外，遞歸特性使得風機系統運動控制方程具有規律性，求解程序具有更好的通用性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種考慮土與結構動力相互作用(Soil-StructureDynamicInteraction，簡稱SSDI)效應的建模方法，特別是涉及一種基于振動阻抗的考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型及系統。
技術介紹
風能源因具有無污染、可再生的特點受到了國際能源界的重視，逐漸成為了取代傳統能源發電的主要形式，構筑了低碳產業戰略所需的基石。我國海岸線漫長，近海風能資源豐富，且用電負荷中心聚集在東部沿海地區，因此海上風電在國內具有廣闊的發展前景。風機基礎是保證機組穩定運行的關鍵部分，主要受到風、海浪、地震等作用下的水平激振荷載。目前我國相關規范(《建筑地基基礎規范(GB5007-2011)》、《風電機組地基基礎設計規定(FD003-2007)》)中對基礎的設計主要是從承受地基靜荷載的基礎設計理論中推廣而來并采用經驗系數加以修正。此外，在對風機系統動力特性的分析中常采用剛性地基假定，即假定基礎的運動與鄰近自由場一致，忽略了地基土與風機基礎之間的SSDI效應。然而以上簡化會對風機系統特征頻率、固有振型以及動力響應和穩定性分析帶來一定的誤差。考慮SSDI(Soil-Structure-Dynamic-Interaction)效應對風機系統動力特性影響的理論研究方法主要有以基于有限元和邊界元為代表的數值法和基于基礎振動阻抗的半解析法。前者雖然可以對土和風機系統精細化建模分析，但是因無窮域地基所帶來的巨大計算量以及復雜的建模過程給實際工程的應用帶來了很大的局限性。后者則可以運用描述基礎振動位移與外力關系的振動阻抗去考慮風機在動力荷載作用下土與基礎間的相互作用效應，物理概念清晰計算量小。基礎振動阻抗是依賴于外界激勵荷載頻率的復變函數，其實部表示剛度系數，虛部表示阻尼系數。當振動阻抗頻率依賴性弱時，可忽略其依賴性，取某一特定頻率下的振動阻抗固定值直接用于求解風機系統的時程反應。但當振動阻抗頻率依賴性強時，則無法直接在時域內求解風機系統的時程反應，只能通過Fourier變換求解，且無法處理系統非線性的動力反應問題，因而限制了振動阻抗在實際工程中的應用。我國沿海海床上部以軟土為主的地基與風機基礎間的動力相互作用是工程師們在設計建設中不容忽視的考慮因素。因此，建立一個概念清晰、易于工程人員掌握運用的考慮土與風機動力相互作用效應的等效時域模型是十分必要的。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對水平激振下的風機系統振動問題，提供一個計算效率高、應用方便且能滿足精度要求的考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型，以此解決振動阻抗因其頻率依賴性而無法直接用于求解水平激振下考慮SSDI效應的風機動力特性及時程響應。為達到上述目的，本專利技術提供了一種等效時域模型，包括如下步驟：步驟S1，規格化土與風機基礎動力相互作用的振動阻抗并將其表示成動柔度；步驟S2，利用切比雪夫復多項式擬合所述動柔度并表示成遞歸函數形式，建立表征土與風機基礎動力相互作用的遞歸物理模型，以此確定該遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數；以及步驟S3，建立考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型。進一步，所述步驟S1中規格化土與風機基礎動力相互作用的振動阻抗并將其表示成動柔度形式的方法包括：對振動阻抗規格化，即在式(1)中，Ks為基礎的靜剛度，K(a0)、C(a0)分別為規格化的剛度、幾何阻尼，為虛數，以及a0＝ωd/Vs為無量綱頻率，其中激振頻率為ω，Vs為土體剪切波速，d為基礎的特征長度；將振動阻抗轉換為動柔度F(a0)，并采用靜柔度Fs對其規格化，即在式(2)中，Fs為靜柔度，Fd(a0)為規格化的動柔度，動柔度F(a0)為相應振動阻抗的倒數。進一步，所述步驟S2中建立表征土與風機基礎動力相互作用的遞歸物理模型，利用切比雪夫復多項式擬合動柔度并表示成遞歸函數形式以確定該遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數的方法包括如下步驟：步驟S21，利用切比雪夫復多項式擬合規格化的動柔度函數，將其表示成遞歸函數；以及步驟S22，建立遞歸時域物理模型的動柔度表達式，通過與基于切比雪夫遞復多項式的遞歸函數的表達式對比，確定所述遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器相應的待定系數。進一步，所述步驟S21中利用切比雪夫復多項式擬合規格化的動柔度函數，將其表示成遞歸函數形式的方法包括：通過所述切比雪夫復多項式Ti(s)對動柔度函數進行函數擬合且表示為：在式(3)中，s＝ia0/a0max,a0max為需要擬合的最大頻率；系數κ和系數C為通過基礎趨于靜止和高頻極限的兩個極限條件，即當a0→0時，Fd(a0)→1；且當a0→a0max時，系數κ和系數C分別對應：以及在式(3)中各階切比雪夫復多項式的待定系數φn和且適于通過最小二乘法擬合得到，并將得到的系數代入式(3)重新整理后可得：式中和為初階遞歸系數。根據遞歸算法，式(5)表示成N階遞歸函數，即其中，各階遞歸系數和的遞推關系為：進一步，所述步驟S22中建立遞歸時域物理模型的動柔度表達式，通過與基于切比雪夫復多項式的遞歸函數的表達式對比，確定所述遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器相應的待定系數的方法包括：為了表征土與風機基礎動力相互作用效應，建立由一系列彈簧和阻尼器組成的遞歸時域模型，該遞歸物理模型的動柔度可表示為：通過式(6)和式(8)的對比，即可得到所述遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數λj和γj，即上式(9)中，λj表示彈簧相應系數，γj表示阻尼器相應系數。進一步，所述步驟S3中建立考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型的方法包括：將風機上部結構離散為Ns段質量聚集于下端的等截面彈性梁，結合所述遞歸物理模型適于建立土與風機動力相互作用的等效時域模型；即風機上部第i段的集中質量和質量慣性矩用mi和Ii表示，第i段的水平剪切剛度和阻尼分別用ki和ci表示，第i個質點到基礎的高度用hi表示，風機基礎的質量和慣性矩用Mf和If表示，基礎的水平阻抗和搖擺阻抗分別采用含有Nh和Nr個自由度的遞歸物理模型來表示；在水平激振{F本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種等效時域模型的構建方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟S1，規格化土與風機基礎動力相互作用的振動阻抗并將其表示成動柔度；步驟S2，利用切比雪夫復多項式擬合所述動柔度并表示成遞歸函數形式，建立表征土與風機基礎動力相互作用的遞歸物理模型，以此確定該遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數；以及步驟S3，建立考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型。

【技術特征摘要】
1.一種等效時域模型的構建方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟S1，規格化土與風機基礎動力相互作用的振動阻抗并將其表示成動柔度；步驟S2，利用切比雪夫復多項式擬合所述動柔度并表示成遞歸函數形式，建立表征土與風機基礎動力相互作用的遞歸物理模型，以此確定該遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數；以及步驟S3，建立考慮土與風機系統動力相互作用的等效時域模型。2.根據權利要求1所述的等效時域模型的構建方法，其特征在于，所述步驟S1中規格化土與風機基礎動力相互作用的振動阻抗并將其表示成動柔度的方法包括：對振動阻抗規格化，即在式(1)中，Ks為基礎的靜剛度，K(a0)、C(a0)分別為規格化的剛度、幾何阻尼，為虛數，以及a0＝ωd/Vs為無量綱頻率，其中激振頻率為ω，Vs為土體剪切波速，d為基礎的特征長度；將振動阻抗轉換為動柔度F(a0)，并采用靜柔度Fs對其規格化，即F(a0)=1Ks×[K(a0)+ia0C(a0)]=Fs×Fd(a0)---(2);]]>在式(2)中，Fs為靜柔度，Fd(a0)為規格化的動柔度，動柔度F(a0)為相應振動阻抗的倒數。3.根據權利要求2所述的等效時域模型的構建方法，其特征在于，所述步驟S2中利用切比雪夫復多項式擬合所述動柔度并表示成遞歸函數形式，建立表征土與風機基礎動力相互作用的遞歸物理模型，以此確定該遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數的方法包括如下步驟：步驟S21，利用切比雪夫復多項式擬合規格化的動柔度函數，將其表示成遞歸函數；以及步驟S22，建立遞歸物理模型的動柔度表達式，通過與基于切比雪夫復多項式的遞歸函數表達式對比，確定所述遞歸物理模型中各彈簧和阻尼器的待定系數。4.根據權利要求3所述的等效時域模型的構建方法，其特征在于，所述步驟S21中利用切比雪夫復多項式擬合規格化的動柔度函數，將其表示成遞歸函數形式的方法包括：通過所述切比雪夫復多項式Ti(s)對動柔度函數進行函數擬合且表示為：在式(3)中，s＝ia0/a0max,a0max為需要擬合的最大頻率；系數κ和系數C為通過基礎趨于靜止和高頻極限的兩個極限條件，即當a0→0時，Fd(a0)→1；且當a0→a0max時，系數κ和系數C分別對應：以...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王玨，
申請(專利權)人：河海大學常州校區，
類型：發明
國別省市：江蘇;32