一种海上双层复合结构物、解析计算方法及优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种海上双层复合结构物、解析计算方法及优化设计方法，其中，计算方法包括如下步骤：S1、建立结构物多个面层的RVE模型，获取面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系；S2、建立结构物的动力学等效模型，获得结构物的接触面应变方程和均匀化弯曲刚度方程；S3、建立波浪下结构物的新型水弹性解析模型，获得面层的接触面应变方程；S4、根据结构物的结构参数和面层的接触面应变方程，获得面层的接触面应变；S5、将面层的接触面应变与拉伸屈服应变进行比较，获得面层具有塑性损伤区域；本申请方法同时考虑了波浪作用、复合结构的分层与几何特征以及材料的微观组分等多种尺度问题，分析结果更加可靠。分析结果更加可靠。分析结果更加可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种海上双层复合结构物、解析计算方法及优化设计方法


[0001]本专利技术涉及海上构筑物设计
，具体涉及一种海上双层复合结构物、解析计算方法及优化设计方法。

技术介绍

[0002]近些年来，光伏发电成为新能源产业的重要发展方向之一，不过由于光伏电站占地面积巨大，而新能源需求旺盛的沿海地区往往人口密集、土地紧缺。为解决以上矛盾，许多研究提出了海洋环境中光伏系统的概念。由于环境温度低，避免了土地使用冲突，浮动光伏在生产效率和成本方面比陆地光伏更具竞争力。与湖泊或水库不同，在海上部署光伏设施需要设计一个稳定耐用的支撑平台，以承受连续的波浪作用，考虑到光伏产业的大规模生产，这个支撑平台必须有足够大的规模。超大型浮体是近几十年发展起来的一种新型海洋工程结构物，其在海洋空间利用中发挥着重要作用，为海上光伏产业提供了新的发展思路。
[0003]考虑到持续的波浪作用和光伏组件的低自重，超大型浮体光伏支撑结构可设计为由超高性能混凝土(UHPC)面板和聚苯乙烯泡沫(EPS)底板组成的轻型高刚度浮动双层结构，该结构是大面积且成本可控的。其中的EPS泡沫市场价格较低，具有较强的变形性，在提供浮力的同时，可缓冲波浪对混凝土层的作用，而混凝土层则可以抑制泡沫结构的过度变形，增强结构安全性。然而，当前的超大型浮体解析计算方法多数仍然局限于假设浮式结构为单层均质结构，忽略了控制自重和改善结构性能(如刚度和强度)，并且在计算过程中，基本不涉及结构的内部变形响应以及弹塑性状态判断。以传统水弹性理论模型为例，根据波浪参数及基本海况，计算所得的结构挠度、弯矩以及剪力，无法在实际工程中为结构物的设计与分析提供直接指导。当对前述超大型双层浮动结构进行工程设计时，必须考虑到整体结构规模很大，长度可达数百米，与整体结构相比，双层复合材料微观组分的尺寸约为毫米甚至微米级。不同几何尺度下的水动力、结构和材料特性建模与分析必须是一个复杂的多尺度问题，其中的关键步骤是实现波浪作用、浮体结构的分层与几何特征以及材料的微观组分等的串联计算。为了直接为工程设计提供具体指导，应为此类海洋结构的设计开发一种包括弹塑性状态判断在内的水动力
‑
结构
‑
材料耦合的新型多尺度计算方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种海上双层复合结构物的解析计算方法。
[0005]进一步，本申请还提供一种海上双层复合结构物的优化设计方法。
[0006]进一步，本申请还提供一种海上双层复合结构物。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种海上双层复合结构物的解析计算方法，所述海上双层复合结构物由面层和底层组成，所述面层由UHPC基体以及嵌入所述UHPC基体内的钢纤维组成，所述底层为EPS材
料；
[0009]所述计算方法包括如下步骤：
[0010]S1、建立多个面层RVE模型，根据所述面层RVE模型获取面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系；
[0011]S2、建立结构物的动力学等效模型，根据所述动力学等效模型以及所述面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系，获得结构物的接触面应变方程和均匀化弯曲刚度方程；
[0012]S3、建立波浪下结构物的新型水弹性解析模型，根据所述新型水弹性解析模型、结构物的接触面应变方程和均匀化弯曲刚度方程，获得面层的接触面应变方程；
[0013]S4、根据结构物的结构参数和面层的接触面应变方程，获得面层的接触面应变；
[0014]S5、将该面层的接触面应变与材料拉伸屈服应变进行比较，若面层的接触面应变大于材料拉伸屈服应变，则说明该面层具有塑性损伤区域。
[0015]进一步，步骤S1中，建立多个面层RVE模型，具体包括如下步骤：
[0016]S11、根据UHPC基体材料性能参数，建立UHPC基体模型；
[0017]S12、根据钢纤维的体积分数，建立多个随机分布的钢纤维单元；
[0018]S13、将钢纤维单元嵌入UHPC基体模型中，完成面层装配；
[0019]S14、分别对UHPC基体和钢纤维划分网格，形成具有不同微观组分的面层RVE模型。
[0020]进一步，步骤S1中，所述根据所述面层RVE模型获取面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系，具体包括如下步骤：
[0021]S15、在周期性边界条件下对每个面层RVE模型进行位移加载分析，获得每个面层RVE模型的宏观力学性能参数；
[0022]S16、根据每个面层RVE模型的宏观力学性能参数与微观组分，获得面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系。
[0023]进一步，所述步骤S2具体包括如下步骤：
[0024]S21、构建结构物在弹性变形阶段的弯矩曲率方程；
[0025]S22、假设结构物为完全贴合的均匀化双层复合结构，构建结构物在弹性变形阶段的挠曲微分方程；
[0026]S23、构建结构物在弹性变形阶段的非均匀界面连续性方程；
[0027]S24、构建结构物在弹性变形阶段所受总弯矩方程；
[0028]S25、根据弯矩曲率关系方程、挠曲微分方程、非均匀界面连续性方程以及总弯矩方程，获得到整体结构在接触面处的应变方程以及双层结构的均匀化弯曲刚度方程。
[0029]进一步，所述步骤S2中结构物的接触面应变方程为：
[0030][0031]其中，ε
int
为接触面处的应变，E1为第1层材料的弹性模量，E2为第2层材料的弹性模量，t1为第1层的厚度，t2为第2层的厚度，R为结构物在外部弯矩作用下的曲率半径，W为结构物弯曲时产生的挠度。
[0032]进一步，所述步骤S2中结构物的均匀化弯曲刚度方程为：
[0033][0034]其中，K
b
为双层浮体结构物的均匀化弯曲刚度，E
b
是指双层结构的均匀化等效弹性模量，I
b
是指双层结构的均匀化等效截面惯性矩，v1为第1层材料的泊松比，v2为第2层材料的泊松比。
[0035]进一步，所述步骤S3具体包括如下步骤：
[0036]S31、建立波浪下结构物的新型水弹性解析模型；
[0037]S32、将结构物所在的流体域划分为三个区域，建立每个区域的空间速度势需要满足的边界条件方程以及结构物端部条件方程；
[0038]S33、根据结构物的均匀化弯曲刚度方程、新型水弹性模型、区域的边界条件方程以及结构端部条件方程，获得双层浮体结构物的空间挠度方程；
[0039]S34、根据结构物的接触面应变方程和空间挠度方程，获得面层的接触面应变方程；
[0040]S35、根据新型水弹性模型，将步骤S34获得的面层的接触面应变方程转化线性方程。
[0041]进一步，所述步骤S3中，所述面层的接触面应变函数为：
[0042][0043]其中，ε
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上双层复合结构物的解析计算方法，其特征在于，所述海上双层复合结构物由面层和底层组成，所述面层由UHPC基体以及嵌入所述UHPC基体内的钢纤维组成，所述底层为EPS材料；所述计算方法包括如下步骤：S1、建立多个结构物的面层RVE模型，根据所述面层RVE模型获取面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系；S2、建立结构物的动力学等效模型，根据所述动力学等效模型以及所述面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系，获得结构物的接触面应变方程和均匀化弯曲刚度方程；S3、建立波浪下结构物的新型水弹性解析模型，根据所述新型水弹性解析模型、结构物的接触面应变方程和均匀化弯曲刚度方程，获得面层的接触面应变方程；S4、根据结构物的结构参数和面层的接触面应变方程，获得面层的接触面应变；S5、将该面层的接触面应变与拉伸屈服应变进行比较，若面层的接触面应变大于拉伸屈服应变，则说明该面层具有塑性损伤区域。2.根据权利要求1所述的海上双层复合结构物的解析计算方法，其特征在于，步骤S1中，建立多个面层RVE模型，具体包括如下步骤：S11、根据UHPC基体材料性能参数，建立UHPC基体模型；S12、根据钢纤维的体积分数，建立多个随机分布的钢纤维单元；S13、将钢纤维单元嵌入UHPC基体模型中，完成面层装配；S14、分别对UHPC基体和钢纤维划分网格，形成具有不同微观组分的面层RVE模型。3.根据权利要求2所述的海上双层复合结构物的解析计算方法，其特征在于，步骤S1中，所述根据所述面层RVE模型获取面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系，具体包括如下步骤：S15、在周期性边界条件下对每个面层RVE模型进行位移加载分析，获得每个面层RVE模型的宏观力学性能参数；S16、根据每个面层RVE模型的宏观力学性能参数与微观组分，获得面层的宏观力学性能参数与微观组分之间的函数关系。4.根据权利要求1所述的海上双层复合结构物的解析计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：S21、构建结构物在弹性变形阶段的弯矩曲率方程；S22、假设结构物为完全贴合的均匀化双层复合结构，构建结构物在弹性变形阶段的挠曲微分方程；S23、构建结构物在弹性变形阶段的非均匀界面连续性方程；S24、构建结构物在弹性变形阶段所受总弯矩方程；S25、根据弯矩曲率关系方程、挠曲微分方程、非均匀界面连续性方程以及总弯矩方程，获得到整体结构在接触面处的应变方程以及双层结构的均匀化弯曲刚度方程。5.根据权利要求4所述的海上双层复合结构物的解析计算方法，其特征在于，所述步骤S2中结构物的接触面应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，方辉，金子健，李华军，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：