【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及近海风机单桩基础沉桩水下噪声预测领域，具体而言，涉及基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法及系统。
技术介绍
1、海上风电作为重点发展的清洁能源领域，以其海上风能资源巨大、发电利用效率高、不占用土体资源等优势，正大规模地快速发展。而在海上风机桩基础安装的沉桩工艺中，需要用打桩锤打桩或振动液压锤打桩，使得桩基到达预定的深度；打桩过程中，自桩顶产生的瞬态冲击波会使桩壁强烈振动，向附近海域辐射高强度的水下噪声，会造成施工海域的海洋动物的听力系统造成伤害；进而研究打桩水下噪声对海洋生物多样性和海洋生态环境保护具有重要意义。
2、单桩基础结构形式简单、制造技术成熟、安装施工速度快、对各种海床适用性较高，使用最为广泛。对于单桩打桩产生的水下噪声，需要研究由单桩、海水和海床三个相互关联域组成的系统，它们之间的相互作用决定了声源噪声的产生机制。对于单桩打桩水下噪声的研究分为两类，即近场研究和远场研究，近场研究指的是桩周几十米范围内噪声的研究，远场研究指的是距离桩几百米到几千米范围内噪声的研究；研究近场噪声，并将由近场研究计算得到的噪声值作为远场的噪声源，再按照抛物线法方程法、波数积分法、简正波法等方法进行计算得到远场噪声值；此外，从噪声源附近进行噪声控制能够更有效地实现降噪，且目前单桩打桩降噪均是通过桩周布置降噪系统实现；因此，近场噪声产生机制的准确认识及噪声大小的精确预测能够为远场噪声的预测和后续桩周降噪的研究提供重要基础。
3、比起深海，在浅水中声波会在海面和海床多次反射、折射和衍射，致使在浅水中
4、因此，对海床为高饱和度的多孔介质进行单桩打桩水下噪声的仿真，可以考虑土体中存在的孔隙压力以及不饱和土体中气体的影响，更准确的预测桩周声场的分布、水下噪声的变化规律及噪声大小，通过对不同渗透系数、不同饱和度的海床进行仿真，研究渗透系数和饱和度对水下噪声的影响，能够为实际工程中水下噪声预测时渗透系数和饱和度的测定提供简化支撑。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测技术，以适用于海上风机单桩基础在高饱和度的多孔海床中安装时打桩过程中近场水下噪声的预测需求，同时也能为工程中水下噪声预测时海床渗透系数、饱和度的测定提供简化支撑。
2、为了实现上述技术目的，本申请提供了基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，包括以下步骤：
3、建立二维轴对称的由海水层、单桩和海床层组成的第一有限元模型；
4、基于第一有限元模型，在海水层的最外部边界、海床层的最外部边界和最底部边界分别设置完美匹配层，以避免波在边界处的反射，构建第二有限元模型；
5、基于第二有限元模型，通过建立模型组成元素之间的声—结构边界双向耦合多物理场接口和多孔弹性多物理场接口，获取瞬态冲击荷载作用于单桩顶部后，桩周的声场分布、水下噪声的变化规律及噪声大小；
6、基于水下噪声随海床渗透系数、饱和度的变化规律，对不同海床条件下单桩打桩的近场水下噪声进行预测。
7、优选地，在构建第一有限元模型的过程中，根据压力声学瞬态，建立海水层，其中，流体模型设置为线弹性；
8、根据固体力学建立单桩、海床层，其中，单桩和海床层设置为线弹性材料，固体模型为各向同性，单桩与海床的接触面设置为连续边界；
9、根据达西定律建立海床层土体的多孔介质属性。
10、优选地，在构建声—结构边界双向耦合多物理场接口的过程中，在第二有限元模型的多物理场中建立声—结构边界耦合，耦合的边界选择单桩—海水的接触边界、海床—海水的接触边界，耦合接口声学为压力声学瞬态，结构为固体力学。
11、优选地，在构建多孔弹性多物理场接口的过程中，在第二有限元模型的多物理场中建立多孔弹性耦合，耦合域选择整个海床层，耦合接口选择固体力学，多孔介质流动选择达西定律，并输入biot-wills系数值。
12、优选地，在获取biot-wills系数值的过程中，biot-wills系数值表示为：
13、
14、其中，kb和ks分别是土骨架和土颗粒的剪切模量。
15、优选地，在多孔弹性的耦合中，通过将达西定律的瞬态公式与多孔基体的线弹性材料模型相结合，进行多孔弹性的耦合。
16、优选地，在构建第二有限元模型的过程中，设置第二有限元模型的外部边界条件，包括：在单桩外侧设置一个足够大的海水层和海床层，并将海水层外部边界设置成压力为0，将海床层外部边界设置为位移为0,使得波在边界处不会发生反射。
17、优选地，在对单桩打桩的近场水下噪声进行预测的过程中，通过控制变量法，分别改变海床的渗透系数、饱和度，获取海床不同渗透系数、饱和度对水下噪声的影响，获得水下噪声随海床渗透系数、饱和度的变化规律，从而对不同海床条件下单桩打桩的近场水下噪声进行预测。
18、本专利技术公开了基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测系统，包括：
19、模型构建模块，用于通过建立二维轴对称的由海水层、单桩和海床层组成的第一有限元模型，并在海水层的最外部边界、海床层的最外部边界和最底部边界分别设置完美匹配层，以避免波在边界处的反射，构建第二有限元模型；
20、水下噪声分析模块，用于基于第二有限元模型，通过建立模型组成元素之间的声—结构边界双向耦合多物理场接口和多孔弹性多物理场接口，获取瞬态冲击荷载作用于单桩顶部后，桩周的声场分布、水下噪声的变化规律及噪声大小，
21、水下噪声预测模块，用于基于水下噪声随海床渗透系数、饱和度的变化规律，对不同海床条件下单桩打桩的近场水下噪声进行预测。
22、优选地，模型构建模块，还用于根据压力声学瞬态建立海水层，其中，流体模型设置为线弹性；
23、模型构建模块，还用于根据固体力学建立单桩、海床层，其中，单桩和海床层设置为线弹性材料，固体模型为各向同性，单桩与海床的接触面设置为连续边界；
24、模型构建模块，还用于根据达西定律建立海床层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
7.根据权利要求6所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
8.根据权利要求7所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
9.基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测系统，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测系统，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述基于有限元建模的单桩打桩近场水下噪声预测方法，其特征在于：
【专利技术属性】
技术研发人员：邴建平，相昀含，徐长江，杨波，邓鹏鑫，贾建伟，赵威，张娱，王栋，汪飞，李威，徐伟峰，刘昕，何康洁，孙志倩，滕童格，
申请(专利权)人：长江水利委员会水文局，
类型：发明
国别省市：
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