美国海上风力发电机优化
海上风能目前在美国发展迅速，几个使用固定基础支撑发电机的新风电场正处于不同的开发阶段中，尤其是在东北海岸。事实上，目前还没有使用漂浮式设备的计划，主要是因为大陆架距离海岸有相当长的距离，而且水域相对较浅。
然而，在设计单桩基础的海上风力发电机时，需要考虑的关键技术问题之一是美国东海岸热带气旋的存在。在飓风中，最大风速可能超过风力发电机的设计极限，使其变得脆弱。除了叶片损失外，单桩基础支撑也可能变形。为了应对这一挑战，我们的目标是设计一种单桩风力发电机系统，该系统在承受强风暴等关键载荷时发挥作用。传统上，开发符合这些标准的设计的过程是依靠工程师的项目经验和技能反复完成的。现在借助于成熟的仿真和数值分析技术，工程师可以在更短的时间内根据标准进行设计优化工作。这就是为什么我们使用ESTECO的过程自动化和设计优化软件modeFRONTIER来演示如何优化15MW单桩发电机的设计，以在飓风条件下生存。
不同环境条件下
单桩的结构设计和响应研究
任何类似海上风电场这种项目的大规模投资，都需要考虑许多因素：
•环境（风和海洋条件、海底运动和冲刷，以及其他条件，如气温、太阳辐射、地震活动、海上交通等）
•结构（风轮机舱组件、支撑结构、能量的生成和传输、操作、维护和应急）
•作用/载荷（重力/惯性、空气动力学、流体动力学、驱动、尾流载荷、冲击载荷、海啸）
本项目的范围仅限于单桩基础上单个风力发电机的结构设计。在本研究中，我们以NREL IEA 15兆瓦海上风力发电机为基础设计进行优化：单桩直径为10米，长约75米；单桩横截面为圆形；壁厚最厚的部分超过55mm。基于这些条件，我们使用ANSYS Workbench将设计转换为有限元（FE）模型。
在Ansys Workbench中使用五个连接的模块构成整个仿真分析：
•三个静态结构仿真模块，包括荷载、边界条件和变形应力结果。其中每一个模块都包含一个不同的荷载工况。
•一个模态仿真模块，连接到前一个模块的求解步上，该模块覆盖了从受约束几何结构中得到的固有频率。
•此外，使用一个Excel模块用于得到砂土特性，这些特性随单桩深度的变化而变化。此模块链接到“参数集”，并为用于表示土壤行为的非线性弹簧提供信息。
关于设计荷载，单桩基础受到波浪、水流和风力发电机结构的作用力。风力发电机被设计成在给定的风速下停止运行。在飓风条件下，叶片顺桨以停止发电机旋转并减少负载。在以下条件下，使用OpenFAST NREL软件计算风荷载：
1.最大推力产生的风速：11 m/s
2.最大运行风速：25 m/s
3.飓风条件：50 m/s
NREL 15MW单桩
海上风力发电机的设计优化过程
NREL 15MW单桩
海上风力发电机的设计优化过程
通过集成Ansys FEA（有限元分析）模型和openFAST NREL软件（以从操作条件中得到负载），在modeFRONTIER中用工作流环境创建并自动化运行优化驱动过程。总体目标是将单桩海上风力发电机的总质量降至最低，这是影响成本的最重要参数，因为它标志着所用材料的数量和制造成本。
以整体结构几何形状为重点，考虑的主要输入设计变量是单桩底部和顶部的直径，以及沿高度的壁厚离散分布。考虑的主要输出变量是单桩、过渡件和塔架的质量、所经历的最大应力以及结构的固有频率。此外，该问题中的设计约束包括单桩承受的最大应力、屈曲检查和固有频率。
一旦建立了仿真过程工作流，就可以使用modeFRONTIER Planner环境中的均匀拉丁超立方（ULH）算法进行了实验设计（DOE）研究，创建42种单桩配置，其目的是最小化输入变量之间的相关性，并最大化生成的设计之间的距离，以在开始优化过程之前调查哪些区域涵盖了可行的设计。
对DOE的结果进行了敏感性分析，结果显示了t1（第一段厚度）和OR1（第一段外半径）参数对所有输出的重要影响。
然后，我们应用基于RSM（响应面）的FAST算法在modeFRONTIER中进行设计优化研究。我们目前评估了202种设计，在150次评估后找到最佳可行设计：
在优化结果中，使用modeFRONTIER聚类工具搜索最佳聚类，并将该子集用作在缩小的设计空间上进行虚拟优化的起点。
上述过程得到了三种具有更好质量值的不同设计，但通过验证，它们实际上并不比最初得到的最佳点好。
使用协同设计优化的SPDM框架
对海上单桩风力发电机模型进行后处理
使用协同设计优化的SPDM框架
对海上单桩风力发电机模型进行后处理
为了能够改善参与该项目的不同主题专家之间的合作，仿真结果随后被上传到ESTECO VOLTA：一个用于仿真过程和数据管理（SPDM）以及设计优化的企业平台。得益于先进的基于网络的数据分析环境VOLTA Advisor，我们可以通过交互式仪表板实时比较和评估不同的单桩风力发电机设计结果。
总体来说，与单独飓风条件相比，含多种条件情况下的优化质量结果减少程度有所降低。但这些结果仍然是很重要的。该结构的重量减少了3%以上，建筑成本也随之降低。
VOLTA SPDM平台中的仿真工作流程非常强大。我们在半天内完成了数百个设计评估，并找到了最好的结果。VOLTA工作环境在同一环境下提供了所有的设计探索工具，并可以通过浏览器从任何计算机上获得，这既灵活又强大。
本研究项目由HS-03 SNAME小组承担，该小组由以下成员和公司组成：Matteo Bucchini（BLOM Martine）；Zhiyong Yang（7C Engineering）；Roger I.Basu（Roger Basu & Associates）；Aimin Wang（EXMAR Offshore Company）；Won Ho Lee（Lloyd’s Register）；Gail Baxter（顾问）；Robert Sielski（顾问）；Raffaele Frontera（HMC BV）；Gabriele Degrassi（ESTECO）。最近，HS-03小组还参加了与新奥尔良大学（UNO）和位于UNO的路易斯安那风能中心合作组织的“海上漂浮风电工程扩展知识”技术讨论/研讨会。
