基于根莖構型的風電基礎仿生設計及其性能分析.pdf

1、自然界中的植物經過長期的進化使其結構性能具有很好的優(yōu)異性，其宏觀或微觀結構也為現代設計提供一種新的理念。通過對植物的根莖分析發(fā)現，植物根系的空間構型影響其抗倒伏、錨固和支撐能力，而莖的截面形狀影響其比剛度、比強度等結構特征。根據結構仿生基本理念，本文參照高大喬木的根系布局關系，將具有很好抗倒伏、錨固和負載特性的根系構型應用到海上風電基礎的設計中；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計。通過結構相似實現功能相近，旨在對

2、樁基礎的管架布局進行基于根莖的構型仿生設計，以及對導管加強筋進行基于莖截面的仿生設計，確定出一種結構更加合理，具有很好的抗負載、抗風、浪、流等自然載荷能力的樁基礎管架布局。
　　首先對植物根莖的機理和特性進行分析，為仿生建模做準備。通過植物的抗倒伏分析、根的錨固分析和構型分析，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，建立概念模型為風機的仿生設

3、計提供依據；通過蓮藕莖截面的空腔結構分析，仿生演化并應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結構的仿生加強筋。結合根仿生布局與莖仿生加強筋，并依據典型的三樁腿結構形式得到仿生基礎構型模型。
　　其次通過有限元理論和數值分析結合的方法，對五種結構進行基于風、浪、流的多工況的流固耦合分析。通過分析應用比較法得出四腿是最優(yōu)的仿生結構；并對四腿仿生結構在隨機環(huán)境載荷下的疲勞壽命進行分析，驗證結構的安全性，然后在對結

4、構輸入符合當地條件的地震加速度時程，探討結構的抗震能力。
　　最后對仿生風電基礎進行風、浪、流的流固耦合多目標優(yōu)化，主要對結構的質量、整體變形、最大應力進行優(yōu)化。結合仿生概念建模時影響因子確定優(yōu)化參數。這次優(yōu)化可以看作仿生植物根莖應對外界載荷的耦合作用進行進化、適應環(huán)境的過程。通過優(yōu)化將基礎結構管架之間連接重新布置，實現最優(yōu)載荷路徑，增強結構的整體性能。
　　本文采用基于植物根莖仿生設計的基礎結構相對原有的模型，具有安全可靠