一种海上风电的一体化设计方法及相关组件与流程

1.本发明涉及海上风电建造领域，特别是涉及一种海上风电的一体化设计方法及相关组件。


背景技术：

2.海上风电主要由风电机组和海上支撑结构这两类结构组成，由于海上风电需要长期在海上环境工作，其对于风电机组和海上支撑结构的结构稳定性和安全性有较高的要求，要求风电机组和海上支撑结构在各种载荷环境中保证结构稳定。现有技术在设计风电机组和海上支撑结构时，通常是将风电机组和海上支撑结构受到的风载荷、波浪载荷和水流载荷等各类载荷的最大值相互叠加作为其极限工况，基于极限工况对风电机组和海上支撑结构进行设计。但是，因为现实情况中不会出现同一时刻所有载荷均为最大值的情况，所以将各类载荷最大值相互叠加的设计方法所获得的设计输出较为保守，需要较高的工程造价成本。
3.而且，目前的风电机组和海上支撑结构通常分别由不同的设计院或者厂商设计和制造，由于存在沟通不及时和信息不同步的问题，可能会产生重复计算同种载荷的问题，进一步提高了工程成本和安装成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种海上风电的一体化设计方法及相关组件，可以避免重复计算同种载荷，使海上风电的设计更贴合实际情况，避免保守设计，降低了工程造价成本。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种海上风电的一体化设计方法，包括：
6.根据海上支撑结构的子模型以及风电机组各个组件对应的子模型，构建海上风电的一体化模型；
7.对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷，确定所述一体化模型在所述预设时长内的各个时刻的瞬时载荷；
8.在各个所述瞬时载荷中，将载荷最大的所述瞬时载荷作为所述一体化模型的极限载荷；
9.对指定的n个所述子模型分别施加所述极限载荷，判断n个所述子模型在所述极限载荷下的应力是否大于第一预设极限值且应变是否大于第二预设极限值，n为不大于所述子模型总数量的正整数；
10.若n个所述子模型均判定为是，则判定所述海上风电的设计合格；
11.若存在所述子模型判定为否，则判定所述海上风电的设计不合格。
12.优选的，在构建海上风电的一体化模型之后，还包括：
13.将所述一体化模型转换为有限元模型；
14.在所述有限元模型中的底部设置表示模拟海床环境的刚度矩阵；
15.对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷，包括：
16.对带有所述刚度矩阵的所述有限元模型施加所述预设时长的环境载荷。
17.优选的，在对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷之前，还包括：
18.确定所述一体化模型的m个结构参数，m为正整数；
19.在将载荷最大的所述瞬时载荷作为所述一体化模型的极限载荷之后，还包括：
20.根据所述极限载荷确定所述一体化模型的应力和应变；
21.根据m个所述结构参数、所述一体化模型的应力和应变判断所述一体化模型是否满足预设设计要求；
22.若是，则进入对指定的n个所述子模型分别施加所述极限载荷的步骤；
23.若否，利用预设粒子群算法变换m个所述结构参数的数值，利用新的所述结构参数返回构建海上风电的一体化模型的步骤。
24.优选的，在用预设粒子群算法变换m个所述结构参数的数值之后，还包括：
25.将所述海上风电的整机迭代次数加1；
26.判断所述整机迭代次数是否大于预设迭代次数；
27.若是，则执行所述海上风电对应的预设抗台风控制策略。
28.优选的，在返回对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷的步骤之前，还包括：
29.当所述预设抗台风控制策略为将所述风电机组的风轮及叶片旋转至顺风方向时，根据所述预设抗台风控制策略更新所述风电机组的子模型，并根据所述风电机组的子模型更新所述一体化模型。
30.优选的，在判定所述海上风电设计不合格之后，还包括：
31.利用预设粒子群算法变更判定为大于的所述子模型中的x个结构参数，得到新的所述子模型，x为正整数；
32.根据新的所述子模型更新所述一体化模型，返回构建海上风电的一体化模型的步骤。
33.优选的，确定所述一体化模型在所述预设时长内的极限载荷，包括：
34.确定所述一体化模型在所述预设时长内的结构动力上的整机响应谱；
35.将所述整机响应谱中的最大值作为所述一体化模型的极限工况；
36.将所述极限工况乘以预设安全系数，得到所述一体化模型在所述预设时长内的极限载荷；
37.其中，所述整机响应谱由各个所述子模型的连接面之间的载荷构成。
38.优选的，对指定的n个所述子模型分别施加所述极限载荷，包括：
39.在所述整机响应谱中提取出n个所述子模型对应的子响应谱；
40.将所述子响应谱中的最大值作为所述极限载荷施加给对应的所述子模型。
41.本技术还提供一种海上风电的一体化设计装置，包括：
42.存储器，用于存储计算机程序；
43.处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述的海上风电的一体化设计方法的步骤。
44.本技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的海上风电的一体化设计方法的步骤。
45.本技术提供一种海上风电的一体化设计方法及相关组件，涉及海上风电建造领域，根据海上风电的各种组件的子模型构建海上风电的一体化模型，对一体化模型施加预设时长的环境载荷并确定其在每个时刻的瞬时载荷，将最大的瞬时载荷作为一体化模型的极限载荷，对n个子模型分别施加极限载荷，判断n个子模型在极限载荷下的应力和应变是否超过其极限值，若n个子模型均未超过，则判定海上风电的设计合格，若有子模型超过则判定海上风电的设计不合格。通过建一体化模型并其确定其极限载荷，可以避免重复计算同种载荷；通过将瞬时载荷作为极限载荷，可以使海上风电的设计更贴合实际情况，避免保守设计，降低了工程造价成本。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为本技术提供的一种海上风电的一体化设计方法的流程图；
48.图2为现有技术的一种极限载荷计算方法的流程图；
49.图3为现有技术的一种海上基础子模型的结构示意图；
50.图4为本技术提供的一种海上风电的一体化模型的结构示意图；
51.图5为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的弯矩对比图；
52.图6为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的剪力对比图；
53.图7为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的水平位移对比图；
54.图8为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的转角对比图；
55.图9为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的竖向变形对比图；
56.图10为现有技术的载荷与安全系数对应关系的示意图；
57.图11为本技术提供的一种极限工况与安全系数对应关系的示意图；
58.图12为本技术提供的另一种海上风电的一体化设计方法的流程图；
59.图13为本技术提供的另一种海上风电的一体化设计装置的结构示意图。
具体实施方式
60.本发明的核心是提供一种海上风电的一体化设计方法及相关组件，可以避免重复计算同种载荷，使海上风电的设计更贴合实际情况，避免保守设计，降低了工程造价成本。
61.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.由于国内目前规划每年至少有60gw的海上风电的发电容量，还由于海上风电正式退出国补，各省的补贴也在逐年退坡，使得各风电主机厂和设计院将海上风电的设计着力点放在降本增效上，以提高产品的市场竞争力。
63.在海上风电的成本构成中，风电机组(通常包括风轮、主机机舱、塔筒和塔底组件
四部分)的成本占总成本的约30％，海上支撑结构的成本占总成本的约30％，海上电力设施成本占总成本的约20％，整个海上风电的安装成本占总成本的约20％。由于风电机组和海上支撑结构占总成本的比例最高，而且可调整空间最大，锁着这两者是降本的关键突破口。此外，海上支撑结构指的是保证风电机组固定和稳定的一种结构，通常也被称为海上基础或者基础，为了简单描述，本技术使用海上基础代称海上支撑结构。
64.由于海上风电需要常年在多风的海上环境中工作，需要保证海上风电有较高的稳定性和耐用性，现有技术通常采用的是分离式设计方法，在设计海上风电时，通常是把所有极限工况都考虑进去，基于最极端的情况设计海上风电，也就是说，将海上风机在实际应用场景中受到的每种载荷都设定为可能会遇到的理论最大值，如将风载荷、波浪载荷和水流载荷都设定为最大值，将所有的最大值再相加作为海上风电的极限工况，基于这种最极端情况设计海上风电来保证海上风电的稳定性和耐用性。请参照图2和图3，图2为现有技术的一种极限载荷计算方法的流程图，图3为现有技术的一种海上基础子模型的结构示意图，在现有技术在建立各个子模型后施加环境载荷，提取各种载荷的最大值，利用静力平衡和变形协调的方法将各个最大值乘以载荷相关系数的叠加作为极限工况下的载荷；对海上基础(也即图2中所述的单桩基础)施加载荷时，对顶端施加最大风机载荷，也即海上基础以上部分(风轮、机舱、塔筒和组件等)在风载、波浪载荷和自重载荷等载荷的作用下对海上基础顶端产生的作用力，如图3中这几种载荷分别对海上基础模型施加不同方向且不同大小的力，例如：f
xy
＝2915kn，fz＝-12308kn，m
xy
＝290224knm，mz＝-28785knm，因为这几个载荷取得都是各自的最大值，海上基础模型的极限工况下的极限载荷就是各个最大值乘以载荷相关系数的叠加。这种方法虽然也能够保证海上风电常年工作的稳定性和耐用性，但因为实际应用场景中不可能会出现每种载荷都最大的极端情况，所以这种方法比较偏保守，无法有效地降低海上风电的建造成本。
65.为了解决上述技术问题，请参照图1，图1为本技术提供的一种海上风电的一体化设计方法的流程图，该一体化设计方法包括：
66.s1：根据海上支撑结构的子模型以及风电机组各个组件对应的子模型，构建海上风电的一体化模型；
67.考虑到在现有技术中，不同的子模型通常是由不同的厂商或设计院负责的，例如，风电机组中的塔筒子模型由风电机组的主机厂负责，海上基础子模型由设计院负责，由于海上风电的设计涉及多家厂商，通常会存在沟通不及时和信息不同步的情况，在实际应用场景中，厂商和设计院为了避免这种情况的发生，通常是各自基于自己负责的子模型所会受到的各种载荷来设计子模型的，那么在后续进行计算时，可能会存在某种载荷重复引入或计算了多次的情况发生，导致海上风电的设计进一步偏保守，无法有效地降低海上风电的建造成本。
68.为了解决上述的技术问题，在本技术中，在通过软件得到海上基础和风电机组的各种子模型之后，首先利用软件将这些子模型拼凑成一个一体化的三维模型，对于风电机组来说，风电机组通常至少包括风轮、机舱、塔筒和塔底组件四个子模型，风轮模型包括多支叶片和一个轮毂；机舱模型以机舱罩为边界，忽略内部细节，并赋予质量属性，其头部与风轮模型的轮毂连接；塔筒模型为细长圆筒形，具有一定角度的锥度，模型顶端与机舱模型的底部连接，其底端与海上基础模型连接；塔底组件模型形状不定，与塔筒模型连接；海上
基础为圆台形，可以是单桩式或导管架式，海上基础的底面插入海床泥土深处。请参照图4，图4为本技术提供的一种海上风电的一体化模型的结构示意图，整个一体化模型包括风轮子模型1、机舱子模型2、塔筒子模型3、塔底组件子模型4和海上支撑结构子模型5。在将各个子模型拼凑成一个整体之后再给一体化模型施加载荷，就可以避免重复引入某种载荷的情况发生，以降低海上风电的成本。
69.s2：对一体化模型施加预设时长的环境载荷，确定一体化模型在预设时长内的各个时刻的瞬时载荷；
70.s3：在各个瞬时载荷中，将载荷最大的瞬时载荷作为一体化模型的极限载荷；
71.环境载荷包括指的是海上风电受到的风载荷、波浪载荷、水流载荷、自重载荷等载荷。在现有技术中，风载荷和波浪载荷等这些非定常载荷分别取一段时间内的最大值，海上风电的极限工载荷取每种载荷的最大值的叠加值。而在本技术中，这些非定常载荷取同一时间的值，海上风电的极限载荷取的是一段时间中海上风电在某个时间点上受到的最大整体载荷。例如，施加1分钟的环境载荷，假设风载荷在第10s最大，波浪载荷在第45s最大，水流载荷在第20s最大，现有技术则取10s时的风载荷、取第45s时的波浪载荷和取第20s时的水流载荷进行叠加，得到海上风电的极限载荷；进一步假设海上风电的风载荷加波浪载荷加水流载荷之和等于整体载荷，在第10s时整体载荷最大，第45s时中等，第20s时最小，本技术则取第s10时的整体载荷作为海上风电的极限载荷。可见，本技术得到的极限载荷的水平更低，更接近真实情况。
72.在采集载荷时，可以根据实际勘测，获得一段时间区间内的随机载荷谱，例如，根据实际的风场勘测，得到一段时间内的载荷谱如表1所示：
73.表1：风载荷主要参数
[0074][0075]
同理，根据风场勘测，假设水深取17.0m，用以下水文参数获得一段时间区间内的周期性波浪载荷谱：
[0076]
表2：波浪载荷主要参数
[0077][0078]
而对于水流负载，考虑到海上风电通常应用在近海海域，风场也位于近海海域，所以水流载荷通常设定为定常载荷，水流载荷的具体数值可以根据上述表2中的参数来计算获得。
[0079]
s4：对指定的n个子模型分别施加所述极限载荷，判断n个子模型在极限载荷下的应力是否大于第一预设极限值且应变是否大于第二预设极限值，n为不大于子模型总数量的正整数；
[0080]
s5：若n个子模型均判定为是，则判定海上风电的设计合格；
[0081]
s6：若存在子模型判定为否，则判定海上风电的设计不合格。
[0082]
在对一体化模型施加环境载荷后，通常可以根据一体化模型的极限载荷来初步判断海上风电的整体设计是否合格，为了进一步保证海上风电的可靠性和安全性，还需要针对每个子模型进行检测，其检测过程大致等同于海上风电的整体判断。具体的，在得到海上风电整体的极限载荷后，再分别将该极限载荷施加给每一个子模型，然后计算出子模型的极限工况和疲劳工况，计算子模型在受到极限载荷时的应力和应变，如果发现某个子模型受到的应力过大或者应变过大，则说明该子模型的设计不合格，进而说明整个海上风电的设计不合格，需要重新对该子模型进行设计。只有当所有的子模型都合格时才可以判定海上风电的设计合格，避免了太过追求低成本而导致海上风电的稳定性低下的问题。
[0083]
相比于现有技术，由于本技术在对海上风电施加环境载荷时都施加是同一时刻的各种载荷，而现有技术施加的是不同时刻的各种载荷的最大值，因此，本技术中的海上风电的载荷以及受力都小于现有技术，更加贴合实际情况。请参照图5、6、7、8和9，图5为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的弯矩对比图，图6为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的剪力对比图，图7为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的水平位移对比图，图8为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的转角对比图，图9为本技术与现有技术的海上基础与海底泥面主要截面的竖向变形对比图，图中分离式指的是现有技术所使用的分离式设计，一体化指的是本技术所使用的一体
化设计。可见，本技术得到的弯矩约m
xy
为585411knm，比现有技术得到的793122knm小了约26.2％；本技术得到的剪力f
xy
为12218kn，比现有技术得到的15102kn小了约19.1％；本技术得到的水平位移9.53cm比现有技术得到的13.09cm小27.2％；本技术得到的转角3.24
‰
rad比现有技术得到的4.34
‰
rad小25.3％；本技术得到的的基础竖向变形0.16cm比现有技术得到的0.37cm小56.8％。基于此，由于本技术对海上风电施加的载荷更贴合实际情况，实际载荷比现有技术小，所以海上风电的各子模型实际受到的应力和应变等也更小，在对海上风电进行设计和制造时需要考虑到的极限情况也就更小，使得海上风电整体重量得到优化，降低总体工程量，降低了工程造价。
[0084]
综上，根据海上风电的各种组件的子模型构建海上风电的一体化模型，对一体化模型施加预设时长的环境载荷，确定其在预设时长内每个时刻的瞬时载荷，并将最大的瞬时载荷作为一体化模型的极限载荷，对n个子模型分别施加极限载荷，判断n个子模型在极限载荷下的应力是否大于第一预设极限值且应变是否大于第二预设极限值，若n个子模型均判定为不大于，则判定海上风电的设计合格，若存在判定为大于，则判定海上风电的设计不合格；其中的环境载荷是预先采集到的一段时间内的实际载荷。通过建立海上风电的一体化模型并其确定其极限载荷，可以避免重复计算同种载荷的情况发生；而通过将瞬时载荷作为极限载荷，可以使海上风电的设计更贴合实际情况，避免保守设计，降低了工程造价成本。
[0085]
在上述实施例的基础：
[0086]
作为一种优选的实施例，在构建海上风电的一体化模型之后，还包括：
[0087]
将一体化模型转换为有限元模型；
[0088]
在有限元模型中的底部设置表示模拟海床环境的刚度矩阵；
[0089]
对一体化模型施加预设时长的环境载荷，包括：
[0090]
对带有刚度矩阵的有限元模型施加预设时长的环境载荷。
[0091]
为了便于后续确定极限载荷，本技术中，需要将一体化模型转换为有限元模型，具体的，将各个子模型之间的连接面都采用绑定连接，如上述的塔筒子模型的顶端与机舱子模型的底部连接，且塔筒子模型的底端与海上基础子模型的顶端连接，并且在海上基础子模型的底部设置泥面刚度矩阵，以模拟海床泥土环境，从而模拟出真实载荷。基于此，后续在给有限元模型施加环境载荷时，确定每个连接面处的载荷信息，也就是各个子模型的接触面的载荷，将这些载荷相加得到有限元模型在各个时刻的载荷值。基于此，通过将一体化模型转换为有限元模型，可以便于确定极限载荷。
[0092]
作为一种优选的实施例，在对一体化模型施加预设时长的环境载荷之前，还包括：
[0093]
确定一体化模型的m个结构参数，m为正整数；
[0094]
在将载荷最大的瞬时载荷作为一体化模型的极限载荷之后，还包括：
[0095]
根据m个结构参数和极限载荷判断一体化模型是否满足预设设计要求；
[0096]
若是，则进入对指定的n个所述子模型分别施加所述极限载荷的步骤；
[0097]
若否，利用预设粒子群算法变换m个结构参数的数值，利用新的结构参数返回构建海上风电的一体化模型的步骤。
[0098]
为了初步判断海上风电是否满足设计要求，本技术中，考虑到海上风电的子模型较多，一一检验这些子模型是否合格所需要的时间较长，因此可以先对一体化模型的整体
是否合格进行判断，合格再对子模型进行判断，不合格则不进行后续步骤，以便提高效率。具体的，请参照图12，图12为本技术的另一种海上风电的一体化设计方法的流程图，在对一体化模型施加环境载荷之前，可以先确定一体化模型中的某些结构参数(结构参数也即图12中的局部优化参数，可以是风电机组的功率等级、风轮直径、轮毂中心高度、外叶展弦长分布、中叶展扭角分布、塔筒内径和塔筒壁厚等参数)。然后在确定了一体化模型的极限载荷后，根据先前确定的结构参数和极限载荷来确定一体化模型是否满足预设设计要求(预设设计要求也即图12中全局优化变量，可以是最佳功率曲线、发电量、海上风电整机重量或整机成本等要求)，极限载荷是否满足预设设计要求实际上是看一体化模型整体的应力和应变是否超过预先的极限值，若应力应变较低但是结构参数不符合实际要求，或者结构参数符合实际要求但应力或应变过高，都判断一体化模型不满足设计要求，因此，需要不断变更结构参数来找出应力应变较低且结构参数符合要求的设计方法。
[0099]
例如，假设以海上风电的发电量作为实际要求，那么在保证应力应变较低的前提下，还需要保证发电量足够高；以风轮直径、轮毂中心高度和塔顶内径这三个参数作为结构参数，当通过计算确定海上风电的发电量低于要求的阈值时，需要变更风轮直径、轮毂中心高度、塔顶内径中的一个或多个参数，具体是往增大发电量的方向变更，如变更风轮直径时需要增大直径，变更轮毂中心高度时需要升高高度等，实际变更的值可以在一定范围内随机选取，由于结构参数发生了改变，则需要更新一体化模型并重新开始新一轮的计算。基于此，通过不断更新一体化模型进行迭代，直至海上风电满足预设涉及要求，可以初步判断海上风电的整体是否满足设计要求，提高设计效率。
[0100]
作为一种优选的实施例，在利用预设粒子群算法变换m个结构参数的数值之后，还包括：
[0101]
将海上风电的整机迭代次数加1；
[0102]
判断整机迭代次数是否大于预设迭代次数；
[0103]
若是，则执行海上风电对应的预设抗台风控制策略。
[0104]
为了更加贴合实际情况，本技术中，考虑到海上风电在海面环境工作，实际工作中可能会遇到台风的情况，为了保证海上风电在台风天气中的稳定性，在对一体化模型施加环境载荷时，通常施加的是台风天气时的环境载荷。基于此，由于风电机组是通过风带动风轮实现发电的，在台风天气时风电机组相当于需要硬抗台风，把台风载荷完全作用于海上风电。而在实际应用中，为了进一步提高海上风电的稳定性，通常会给海上风电预先设定了一套抗台风控制策略，控制策略是指通过控制风轮相关参数，实现对输入风电机组的风能的控制：在风速低于额定风速时，调节发电机转子转速来尽可能捕获风能，即转速控制；在风速高于额定风速时，由于海上风电自身存在机械电气强度还有结构强度的限制，以及电网对供电品质的要求，需要减少捕获的风能，使风电机组的输出功率稳定在额定功率，即功率控制。台风天气属于风速过高的情况，此时则需要减小海上风电的迎风面面积来降低海上风电受到的风载荷，如何减小迎风面面积则需要根据预设的抗台风控制策略来决定。例如，预设抗台风控制策略可以是将风电机组的叶片的桨距角旋转90
°
至顺桨位置，或者，将风电机组的偏航角改变90
°
使风轮的扫风面与风向平行等。可以理解的是，通过引入抗台风控制策略，一体化模型在受到同样的环境载荷时，其应力、应变和极限载荷都会比没引入抗台风控制策略的一体化模型要低。
[0105]
基于此，请参照图12，图12为本技术提供的另一种海上风电的一体化设计方法的流程图，当确定海上风电不合格的时候，变更海上风电的一些结构参数，并将海上风电的迭代次数加1，然后构建新的一体化模型并再次判断新的一体化模型是否合格，若不合格则继续改变结构参数并迭代。在构建一体化模型之前，先判断迭代次数是否大于预设迭代次数，如果迭代次数过多，说明这个海上风电改了很多次都不合格，都无法硬抗台风，此时为了模拟真实情况，降低海上风电受到的载荷，则需要进入抗台风控制策略，基于此再重新设计海上风电。基于此，通过设置迭代次数，只有在迭代次数过多时才引入抗台风控制策略，那么当迭代次数较少时判定了海上风电合格，说明海上风电不仅满足设计要求还可以硬抗台风，在保证低成本的前提下还保有一定的设计余量；当迭代次数过多时才判定海上风电合格，虽然设计余量较少，但也能说明海上风电可以保证实际应用中的稳定性。
[0106]
此外，当预设迭代次数可以根据实际要求来设定，例如可以是10。
[0107]
作为一种优选的实施例，在返回对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷的步骤之前，还包括：
[0108]
当所述预设抗台风控制策略为将所述风电机组的风轮及叶片旋转至顺风方向时，根据所述预设抗台风控制策略更新所述风电机组的子模型，并根据所述风电机组的子模型更新所述一体化模型。
[0109]
考虑到抗台风控制策略有多种，有些策略会改变海上风电的整体结构，有些策略则不会，若控制策略导致海上风电的结构发生改变，则需要先更新一体化模型，再施加环境载荷，以便使抗台风控制策略生效。例如，若控制策略为调整风机的电机转速，因为没有涉及到结构上的变化，所以对一体化模型无影响，无需更新一体化模型；若控制策略为调整桨距角角度，因为风轮的结构发生改变，则需要对一体化模型进行更新，具体是更新一体化模型中的桨距角角度。基于此，可以根据实际的控制策略来改变一体化模型。
[0110]
作为一种优选的实施例，在判定海上风电设计不合格之后，还包括：
[0111]
利用预设粒子群算法变更判定为大于的子模型中的x个结构参数，得到新的子模型，x为正整数；
[0112]
根据新的子模型更新一体化模型，返回构建海上风电的一体化模型的步骤。
[0113]
为了简单地更新一体化模型，本技术中，请参照图12，图12为本技术提供的另一种海上风电的一体化设计方法的流程图，在对每个子模型施加极限载荷来确定出每个子模型是否合格时，若有子模型应力应变过大需要重新构建新的一体化模型时，获取应力应变过大的子模型中的结构参数，然后变更其结构参数来得到新的子模型，再基于新的子模型更新新的一体化模型，其变更方向是往能够让子模型应力应变降低的方向变更，例如，当子模型是海上基础模型时，若海上基础模型的应力或应变过大，说明海上基础的结构强度不合格，可以通过增加海上基础模型的厚度这一结构参数来减小海上基础子模型的应力应变，具体增加的值则可以在一定范围内随机选择。基于此，在判定海上风电不合格后，只变更应力或应变过大的子模型的结构参数，不需要对整个一体化模型进行修改，可以简单地更新一体化模型。
[0114]
作为一种优选的实施例，确定一体化模型在预设时长内的极限载荷，包括：
[0115]
确定一体化模型在预设时长内的结构动力上的整机响应谱；
[0116]
将整机响应谱中的最大值作为一体化模型的极限工况；
[0117]
将极限工况乘以预设安全系数，得到一体化模型在预设时长内的极限载荷；
[0118]
其中，整机响应谱由各个子模型的连接面之间的载荷构成。
[0119]
为了简单地确定极限载荷，本技术中，因为现有技术没有考虑海上风电整体的载荷情况，而是针对子模型实际受到的载荷进行计算，针对不同载荷需选用不同的载荷分项系数，分别考虑各个载荷为主导载荷时，其他载荷乘以相应的载荷组合系数，请参照图10，图10为现有技术的载荷与安全系数对应关系的示意图。这种方法计算较为繁琐。而本技术中，首先考虑到海上风电整体的载荷情况，直接给整个海上风电施加用于模拟实际应用场景的载荷，确定一体化模型在施加环境载荷时的响应谱，响应谱具体包括：海上基础的底部泥面处弯矩和剪力的时程载荷、塔筒与海上基础的连接面处弯矩和剪力的时程载荷、机舱与塔筒的连接面处弯矩和剪力的时程载荷、风轮与机舱的连接面处弯矩和剪力的时程载荷等，由于一体化设计中加载的是预设时长内的载荷谱，其载荷是时序变化的，所以进行了结构动力计算，得到的是时序变化的结构动力响应谱。而在现有技术中，由于不同厂商负责不同的子模型，不同子模型对应的安全系数不同，所以其需要将各种载荷乘以各自的安全系数才能得到极限载荷，而且极限载荷选取的都是载荷的最大值，进行的是静力学计算，得到的是各种最大值叠加的响应谱。显然，从时序变化的结构动力响应谱中提取的极限值要小于各种最大值叠加的响应谱。综上，请参照图11，图11为本技术提供的一种极限工况与安全系数对应关系的示意图，由于一体化模型中的各载荷已经耦合在一起了，可以将一体化模型整体的载荷工况视为dlc(design load case，设计载荷工况)，不用考虑各载荷分项的载荷组合系数，因此一体化模型只有一个安全系数，不需要针对每种载荷乘以其相对应的系数，基于此可以简单地确定极限载荷。
[0120]
作为一种优选的实施例，对指定的n个子模型分别施加极限载荷，包括：
[0121]
在整机响应谱中提取出n个子模型对应的子响应谱；
[0122]
将子响应谱中的最大值作为极限载荷施加给对应的子模型。
[0123]
为了进一步贴合实际情况，本技术中，在给子模型施加极限载荷时，可以从整机响应谱中提取出子模型自身对应的子响应谱，具体可以是从软件中提取出子模型，然后对子模型施加环境载荷，根据整机响应谱和环境载荷来确定子模型的子响应谱。然后将子模型中的子响应谱中的最大值施加给子模型，能够使子模型受到的极限载荷更小，更符合子模块自身的实际情况。
[0124]
请参照图13，图13为本技术提供的一种海上风电的一体化设计装置的结构示意图，包括：
[0125]
存储器21，用于存储计算机程序；
[0126]
处理器22，用于执行计算机程序时实现如上述的海上风电的一体化设计方法的步骤。
[0127]
对于本技术提供的一种海上风电的一体化设计装置的详细介绍，请参照上述海上风电的一体化设计方法的实施例，本技术在此不再赘述。
[0128]
本技术还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的海上风电的一体化设计方法的步骤。
[0129]
对于本技术提供的一种计算机可读存储介质的详细介绍，请参照上述海上风电的一体化设计方法的实施例，本技术在此不再赘述。
[0130]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0131]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0132]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种海上风电的一体化设计方法，其特征在于，包括：根据海上支撑结构的子模型以及风电机组各个组件对应的子模型，构建海上风电的一体化模型；对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷，确定所述一体化模型在所述预设时长内的各个时刻的瞬时载荷；在各个所述瞬时载荷中，将载荷最大的所述瞬时载荷作为所述一体化模型的极限载荷；对指定的n个所述子模型分别施加所述极限载荷，判断n个所述子模型在所述极限载荷下的应力是否大于第一预设极限值且应变是否大于第二预设极限值，n为不大于所述子模型总数量的正整数；若n个所述子模型均判定为是，s则判定所述海上风电的设计合格；若存在所述子模型判定为否，则判定所述海上风电的设计不合格。2.如权利要求1所述的海上风电的一体化设计方法，其特征在于，在构建海上风电的一体化模型之后，还包括：将所述一体化模型转换为有限元模型；在所述有限元模型中的底部设置表示模拟海床环境的刚度矩阵；对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷，包括：对带有所述刚度矩阵的所述有限元模型施加所述预设时长的环境载荷。3.如权利要求1所述的海上风电的一体化设计方法，其特征在于，在对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷之前，还包括：确定所述一体化模型的m个结构参数，m为正整数；在将载荷最大的所述瞬时载荷作为所述一体化模型的极限载荷之后，还包括：根据所述极限载荷确定所述一体化模型的应力和应变；根据m个所述结构参数、所述一体化模型的应力和应变判断所述一体化模型是否满足预设设计要求；若是，则进入对指定的n个所述子模型分别施加所述极限载荷的步骤；若否，利用预设粒子群算法变换m个所述结构参数的数值，利用新的所述结构参数返回构建海上风电的一体化模型的步骤。4.如权利要求3所述的海上风电的一体化设计方法，其特征在于，在利用预设粒子群算法变换m个所述结构参数的数值之后，还包括：将所述海上风电的整机迭代次数加1；判断所述整机迭代次数是否大于预设迭代次数；若是，则执行所述海上风电对应的预设抗台风控制策略。5.如权利要求3所述的海上风电的一体化设计方法，其特征在于，在返回对所述一体化模型施加预设时长的环境载荷的步骤之前，还包括：当所述预设抗台风控制策略为将所述风电机组的风轮及叶片旋转至顺风方向时，根据所述预设抗台风控制策略更新所述风电机组的子模型，并根据所述风电机组的子模型更新所述一体化模型。6.如权利要求1所述的海上风电的一体化设计方法，其特征在于，在判定所述海上风电
设计不合格之后，还包括：利用预设粒子群算法变更判定为大于的所述子模型中的x个结构参数，得到新的所述子模型，x为正整数；根据新的所述子模型更新所述一体化模型，返回构建海上风电的一体化模型的步骤。7.如权利要求1至6任一项所述的海上风电的一体化设计方法，其特征在于，确定所述一体化模型在所述预设时长内的极限载荷，包括：确定所述一体化模型在所述预设时长内的结构动力上的整机响应谱；将所述整机响应谱中的最大值作为所述一体化模型的极限工况；将所述极限工况乘以预设安全系数，得到所述一体化模型在所述预设时长内的极限载荷；其中，所述整机响应谱由各个所述子模型的连接面之间的载荷构成。8.如权利要求7所述的海上风电的一体化设计方法，其特征在于，对指定的n个所述子模型分别施加所述极限载荷，包括：在所述整机响应谱中提取出n个所述子模型对应的子响应谱；将所述子响应谱中的最大值作为所述极限载荷施加给对应的所述子模型。9.一种海上风电的一体化设计装置，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的海上风电的一体化设计方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的海上风电的一体化设计方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种海上风电的一体化设计方法及相关组件，涉及海上风电建造领域，根据海上风电的各种组件的子模型构建海上风电的一体化模型，对一体化模型施加预设时长的环境载荷并确定其在每个时刻的瞬时载荷，将最大的瞬时载荷作为一体化模型的极限载荷，对指定的N个子模型分别施加极限载荷，判断N个子模型在极限载荷下的应力和应变是否超过其极限值，若N个子模型均未超过，则判定海上风电的设计合格，若有子模型超过则判定海上风电的设计不合格。通过建一体化模型并其确定其极限载荷，可以避免重复计算同种载荷；通过将瞬时载荷作为极限载荷，可以使海上风电的设计更贴合实际情况，避免保守设计，降低了工程造价成本。降低了工程造价成本。降低了工程造价成本。


技术研发人员：罗勇水 何先照 施健行 杨思阳 陈前
受保护的技术使用者：浙江运达风电股份有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/25