极端环境下海上风机吸力桶基础失效机理与控制方法研究

The study of deformation and failure mechanism and safety controlling of suction bucket foundation in extremely complex marine environment are the key technology to ensure the offshore wind turbine safety use and stable production in power. As the final load-transfer structure, suction bucket foundation are suffered from multi-field and multi-phase coupled loads of self-weight, fan loads, wave loads and ocean current loads. The mechanical behavior of suction bucket foundation in extremely complex environment is more complex and likely to affect the safely of wind turbine when happening catastrophe. This research project aims to reveal the failure mechanism and propose the corresponding control methods based on theory analysis, model tests and numerical modeling. The focused prospective researches include: the effective penetration mechanism of suction bucket foundation in different marine strata; the dynamic response characteristics and overall instability modes of suction bucket foundation under coupled loads with extreme environmental factors; the evaluation system and theory of whole cycle safety of suction bucket foundation in extreme marine environment; the establishment and physical model verification of failure control methods in extreme marine environment. The anticipated results are expected to reveal the dynamical evolution process and failure mechanism of suction bucket foundation in extreme marine environment, thereby to establish the corresponding control methods. This research is an attempt to provide theoretical and technical support for safe and stable operation of suction bucket foundation in service.

极端复杂海洋环境下吸力桶基础变形与破坏机理及工程安全调控研究是保证海上风机安全使用及稳定发电的关键技术。作为海上风机结构传力的最终承担者，吸力桶基础长期承受巨大自重、风机荷载、波浪和海流荷载的多场多相耦合作用，极端复杂环境下受力机理更为复杂，一旦发生灾变牵动风机全局。本项目通过理论分析、模型试验与数值计算等多种手段，揭示极端复杂海洋环境下吸力桶基础的失效机理并建立相应的控制方法。拟开展的研究内容包括：不同海域地层吸力桶基础的有效贯入机理；极端环境因素耦合作用下吸力桶基础的动力响应特征及整体失稳模式；极端复杂海洋环境下吸力桶基础全周期安全性能评价体系与理论；极端海洋环境下吸力桶基础失效控制方法的建立及物理模型验证与优化。预期成果有望揭示极端复杂海洋环境下吸力桶基础失效的动态演化过程与破坏机制，并构建相应的控制策略与方法，为海上风机吸力桶基础服役周期内的安全稳定运行提供理论基础与技术保障。

本项目通过理论分析、试验研究、数值模拟等多种手段，对极端复杂环境下吸力桶基础变形与破坏机理进行了研究：① 揭示了极端环境因素耦合作用下吸力桶基础动力响应特征与失效机理；② 建立了极端环境下综合考虑土塞效应的吸力桶基础安全性能评价体系；③ 发展了极端环境下吸力桶基础失稳的有效控制方法。.通过室内缩尺试验，揭示了黏性土地基桶基循环承载特性，阐明了循环过程中桶基旋转中心位置变化规律。随循环次数增加，桶基累积变形逐渐增大，桶基旋转点位置有逐渐上移的趋势。设计时可通过改变桶基直径D对服役期内基础变形进行控制；同时，应考虑长期循环荷载作用下旋转中心上移的实际情况，以满足服役期内海上风机对其水平倾角的控制要求。.利用GDS三轴仪进行了马来西亚高岭土CD试验、CD加载再卸载试验以及标准固结试验，获得了HSS模型土体参数以保证所建立的三维数值模型的正确性。以优化后三维数值模型为基础，基于HSS本构模型通过有限元计算软件Midas GTS NX，建立了水平静载荷作用下桶基三维数值模型，并进行系统变参数分析，包括长径比、土性参数以及荷载加载比等。.通过室内1g模型试验、数值建模与理论分析等手段，基于提出的柔性膜袋防护方法对中等密实砂土地基条件下不同冲刷性态桶基的水平承载性状进行了量化分析。根据桶基承载力分析方法建立了基于柔性膜袋防护桶形基础受力模型，推导出柔性膜袋防护下桶形基础承载力分析方法。当桶形基础位移达到微转角控制标准0.25°时，无冲刷坑、柔性膜袋防护、有冲刷坑冲刷条件下弯矩承载力理论计算值较室内试验实测值分别小了17.3%、20.2%、21.8%。.本项目研究圆满完成了预定内容，并进行了一些交叉性和外延性的研究探索。先后发表SCI论文6篇，EI论文1篇，中文核心论文4篇，授权发明专利3项，实用新型专利1项，软件著作权5项，获青岛市科技进步一等奖1项(排名第2)，获得第十二届青岛市青年科技奖。培养指导硕士毕业生6人，指导在读博士生2人。