[发明专利]基于遗传算法的风电机组基础尺寸优化方法

权利要求书

1.一种基于遗传算法的风电机组基础尺寸优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，确定编码规则、变量目标函数及约束条件；

步骤2，根据所选塔架基础尺寸取值范围，随机生成初始种群，设置遗传算法所需的初始参数：种群规模N、最大进化代数M_max、交叉变异概率；

步骤3，将塔架基础的受力性能、变形量、稳定性作为约束条件，将遗传算法的目标函数定为塔架基础原材料的造价，计算个体的适应度值；

步骤4，采用轮盘赌机制选择和保留最优个体，并进行交叉、变异和倒位组成新的个体，形成一代新种群；

步骤5，重复步骤3～4，将最大适应度值所对应的参数作为最后优化结果；其中，以塔架混凝土基础原材料造价为优化目标函数：

式中，F₂为混凝土塔筒基础材料价格；C₁、C₂分别为普通钢筋混凝土、C30混凝土的市场平均价格；r₁为塔架基础最大环半径，r₂为基础高台环半径，r₃为塔架承台外半径，r₄为塔架承台内半径；ρ₁,ρ_s分别是普通钢筋混凝土材料密度和混凝土塔架基础材料密度；h₁为基础最大环的高度，h₂为基础台阶高度，h₃为承台高度；

在步骤3中，受力性能的约束条件包含如下内容：

第一，压应力P_k：

式中，N_k—荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面竖向力修正标准值；G_k—荷载效应标准组合下，扩展基础自重和扩展基础上覆土重标准值；A—扩展基础底面积；

第二，当承受轴心荷载时，应满足下式的要求：P_k≤f_a，

式中，P_k—荷载效应标准组合下，扩展基础底面处平均压力；f_a—修正后地基承载力特征值；

当承受偏心荷载时，除满足上式的要求，还要满足下式的要求：P_kmax≤1.2f_a，

式中，P_kmax—荷载效应标准组合下，扩展基础底面边缘最大压力值。

2.如权利要求1所述的基于遗传算法的风电机组基础尺寸优化方法，其特征在于：N_k的计算公式是：N_k＝k₀F_zk，其中，k₀为考虑风电机组荷载不确定性和荷载模型偏差的荷载修正安全系数，F_zk为竖向力。

3.如权利要求1所述的基于遗传算法的风电机组基础尺寸优化方法，其特征在于：所述步骤3中，变形量的约束条件包含如下内容：

第一，沉降值

式中，s—地基最终沉降值；s′—按分层总和法计算出的地基沉降值；φ_s—沉降计算经验系数；n—地基沉降计算深度范围内所划分的土层数；p_0k—荷载效应标准组合下，扩展基础底面处的附加压力；E_si—扩展基础底面下第i层土的压缩模量；Z_i、Z_i-1—扩展基础底面至第i、i-1层土底面的距离；—扩展基础底面计算点至第i、i-1层土底面范围内平均附加应力系数；F_zk为竖向力；G_k为荷载效应标准组合下，扩展基础自重和扩展基础上覆土重标准值；A_s为基底实际受压面积；

地基沉降计算深度z_n符合下式要求：

式中，ΔS_i′—计算深度范围内，第i层土的计算沉降值；ΔS_n′—由计算深度向上取厚度为ΔZ的土层计算沉降值；

第二，倾斜率θ：

式中，s₁、s₂—基础倾斜方向实际受压区域两边缘的最终沉降值；b_s1—基础倾斜方向实际受压区域的宽度。

4.如权利要求1所述的基于遗传算法的风电机组基础尺寸优化方法，其特征在于：所述步骤3中，稳定性的约束条件包含如下内容：

第一，抗倾覆：

M_R＝(N_k+G_k)×r

M_S＝M_rk+H_KH_d1

式中：M_R—荷载效应基本组合下，抗倾力矩；M_S—荷载效应基本组合下，倾覆力矩修正值；H_K—荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面水平合力修正标准值；M_rk—倾覆力矩；H_d1—基础环顶标高至基础底面的高度；r—圆形扩展基础的半径；

第二，基础抗滑移：

F_R＝(N_k+G_k)×μ

式中，μ为基底摩擦系数；F_R—荷载效应基本组合下，抗滑力；F_S—荷载效应基本组合下，滑动力修正值；

第三，抗冲切：

γ₀F_l≤0.7β_hpf_ta_mh₀

F_l＝p_jA_l

式中，B—基底面积，a_t，F_l—荷载效应基本组合下，作用在A上的地基净反力设计值；A_l—中切验算时取用的部分基底面积；p_j—扣除基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力；β_hp—受冲切承载力截面高度影响系数，当h₀＜800mm时，取1.0；当h₀＞2000mm时，取0.9，其间按线性内插法取用；f_t—混凝土轴心抗拉强度设计值；h₀—基础冲切破坏锥体的有效高度；a_m—冲切破坏锥体最不利一侧计算长度；a_t—受冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，当计算基础环与基础交接处的受冲切承载力时，取基础环直径，当计算基础台柱边缘处的受冲切承载力时，取台柱宽；a_b—受冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长，当受冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内，计算基础环与基础交接处的受冲切承载力时，取基础环直径加两倍基础有效高度，当计算基础台柱边缘受冲切承载力时，取台柱宽加两倍该处有效高度。