[发明专利]海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法

说明书

一种海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法，它包括加载机构、数据采集机构、计算分析平台和数字孪生模型，数据采集机构与加载机构连接，计算分析平台与加载机构的千斤顶和数据采集机构连接构成现场试桩试验系统，数字孪生模型是基于现场试桩试验系统构建的数值仿真模型，采用现场试桩试验数据进行模型参数的实时更新，数字孪生模型在计算分析平台上建立和运行。有助于海上风电桩基础结构的高精度设计，为理解复杂荷载工况下大直径或超大直径桩体的受力变形机制提供方法，同时基于数字孪生模型的数值仿真，实现桩周土体的应力可视化和桩身受力变形的实时分析，有助于评估、校核和修正现有海上风电桩基础设计方法。

技术领域

本发明属于海上风电桩试验技术领域，涉及一种海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法。

背景技术

数字孪生指将现实世界中的物理模型映射为数字世界中的虚拟模型，物理模型和虚拟模型可以进行双向的数据交互和信息融合，通过迭代优化改善真实的物理系统性能。数字孪生技术的关键是创建出能精准反映物理模型变化特征的数字孪生模型，数字孪生模型根据物理模型的运行状态，及时调整相应的参数，保持与实体模型运行状态一致。

单桩基础是近海风电场中最为常用的基础形式，在全球已建海上风电场的基础形式中占比超过70％，随着水深和风机容量的增大，单桩基础最大桩径已经超过9m，桩长接近100m。但是，当前单桩基础水平承载力计算方法仍是基于海洋油气平台小直径柔性桩现场试桩试验提出的p-y曲线法。现场监测数据和大量研究表明，p-y曲线法计算结果相对保守，可靠性较差。对于海上风电单桩基础而言，难以开展原型试桩试验，因此大比尺现场试桩试验成为研究桩基承载特性，提出桩基承载力计算方法，发展或改进桩基设计方法最为重要且有效的方式。

目前，海上风电现场试桩试验采用的桩通常为桩径1.8-2m、桩长70-80m柔性桩。每组现场试桩试验费用高达3000多万，且只能进行简单荷载工况的加卸载，例如单调加载、单调单循环加卸载，循环此次低于100次。然而，海上风电单桩基础在25年的生命周期内，需要承受1000万次以上由风荷载、波浪荷载、海流荷载、地震荷载、冰荷载多种荷载的耦合形成的循环荷载作用。此外，随着海上风电场的水深增加至40-60m，单桩基础振动频率、疲劳荷载可能成为单桩基础设计时的控制性因素，此时现有的现场试桩试验方法难以实现超大直径单桩基础承载特性的精确分析及其设计方法的提出。基于此，迫切需要提出一种新的海上风电超大直径单桩基础现场试桩试验方法，不仅能够精确获得单桩基础静力承载特性，还能获得单桩基础在多向、多时程、多循环复杂荷载工况下的动力承载特性，为提出海上风电超大直径单桩基础动力设计方法奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种海上风电数字孪生试桩试验系统及建立方法，基于现场试桩试验系统，建立相应的数值仿真模型，在现场试桩试验数据的基础上，更新数值仿真模型的模型参数，完成高精度数字孪生模型的构建。基于数字孪生模型进行复杂荷载工况下试桩试验的数值计算，实现复杂荷载工况下桩体受力变形特征的精准预测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海上风电数字孪生试桩试验系统，它包括桩体、加载机构、数据采集机构、计算分析平台和数字孪生模型；所述桩体、加载机构、数据采集机构和计算分析平台构成现场试桩试验系统；所述数字孪生模型是基于现场试桩试验系统构建的数值仿真模型，所述数字孪生模型在计算分析平台上建立和运行。

在实施例中，所述桩体的直径为1-3m；

在实施例中，所述加载机构包括支撑架、反力架和千斤顶；

在实施例中，所述数据采集机构包括荷载采集装置、位移采集装置、桩身应变采集装置、桩身变形采集装置、土压力采集装置；

在实施例中，所述计算分析平台连接于加载机构和数据采集机构，所述计算分析平台控制加载机构中千斤顶的运行，所述数据采集机构将试桩试验数据实时传输至计算分析平台，所述计算分析平台实时处理试桩数据，并将处理后的试桩数据实时传递给数字孪生模型，所述数字孪生模型基于试桩数据同步开展数值计算。