基于根莖構(gòu)型的風(fēng)電基礎(chǔ)仿生設(shè)計及其性能分析.pdf

1、自然界中的植物經(jīng)過長期的進化使其結(jié)構(gòu)性能具有很好的優(yōu)異性，其宏觀或微觀結(jié)構(gòu)也為現(xiàn)代設(shè)計提供一種新的理念。通過對植物的根莖分析發(fā)現(xiàn)，植物根系的空間構(gòu)型影響其抗倒伏、錨固和支撐能力，而莖的截面形狀影響其比剛度、比強度等結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)結(jié)構(gòu)仿生基本理念，本文參照高大喬木的根系布局關(guān)系，將具有很好抗倒伏、錨固和負(fù)載特性的根系構(gòu)型應(yīng)用到海上風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計中；對蓮藕莖稈這種具有高比剛度、比強度植物的莖截面展開仿生設(shè)計。通過結(jié)構(gòu)相似實現(xiàn)功能相近，旨在對

2、樁基礎(chǔ)的管架布局進行基于根莖的構(gòu)型仿生設(shè)計，以及對導(dǎo)管加強筋進行基于莖截面的仿生設(shè)計，確定出一種結(jié)構(gòu)更加合理，具有很好的抗負(fù)載、抗風(fēng)、浪、流等自然載荷能力的樁基礎(chǔ)管架布局。
　　首先對植物根莖的機理和特性進行分析，為仿生建模做準(zhǔn)備。通過植物的抗倒伏分析、根的錨固分析和構(gòu)型分析，得出根莖影響樹木抗倒伏和錨固的因素有莖的長度和截面形狀，根的長度、直徑、數(shù)量根，根與水平線的夾角以及根之間的夾角等，提取這些因素，建立概念模型為風(fēng)機的仿生設(shè)

3、計提供依據(jù)；通過蓮藕莖截面的空腔結(jié)構(gòu)分析，仿生演化并應(yīng)用有限元軟件分析確定一種比剛度、比強度最好的仿生截面形式為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的仿生加強筋。結(jié)合根仿生布局與莖仿生加強筋，并依據(jù)典型的三樁腿結(jié)構(gòu)形式得到仿生基礎(chǔ)構(gòu)型模型。
　　其次通過有限元理論和數(shù)值分析結(jié)合的方法，對五種結(jié)構(gòu)進行基于風(fēng)、浪、流的多工況的流固耦合分析。通過分析應(yīng)用比較法得出四腿是最優(yōu)的仿生結(jié)構(gòu)；并對四腿仿生結(jié)構(gòu)在隨機環(huán)境載荷下的疲勞壽命進行分析，驗證結(jié)構(gòu)的安全性，然后在對結(jié)

4、構(gòu)輸入符合當(dāng)?shù)貤l件的地震加速度時程，探討結(jié)構(gòu)的抗震能力。
　　最后對仿生風(fēng)電基礎(chǔ)進行風(fēng)、浪、流的流固耦合多目標(biāo)優(yōu)化，主要對結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、整體變形、最大應(yīng)力進行優(yōu)化。結(jié)合仿生概念建模時影響因子確定優(yōu)化參數(shù)。這次優(yōu)化可以看作仿生植物根莖應(yīng)對外界載荷的耦合作用進行進化、適應(yīng)環(huán)境的過程。通過優(yōu)化將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)管架之間連接重新布置，實現(xiàn)最優(yōu)載荷路徑，增強結(jié)構(gòu)的整體性能。
　　本文采用基于植物根莖仿生設(shè)計的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對原有的模型，具有安全可靠