海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析技術(shù)領(lǐng)域，具體提供一種海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法，旨在解決現(xiàn)有海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)采用應(yīng)力集中因子概念無(wú)法得到全場(chǎng)累積損傷分布的問題。為此目的，本發(fā)明專利技術(shù)的疲勞分析方法包括：對(duì)整機(jī)建立動(dòng)力學(xué)模型；根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出等效靜力載荷；對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)建立整體

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法


[0001]本專利技術(shù)涉及海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析
，具體提供一種海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法。

技術(shù)介紹

[0002]近年來(lái)陸上風(fēng)電機(jī)組倒塔事件頻發(fā)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題受到日益廣泛的關(guān)注。由于海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝與運(yùn)維成本更高，支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尤其是疲勞強(qiáng)度成為研究熱點(diǎn)。由于應(yīng)用簡(jiǎn)單，應(yīng)力集中因子(stress concentration factor,SCF)概念在支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。三腳架支撐結(jié)構(gòu)是一種常見的海上風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)。通常，三腳架支撐結(jié)構(gòu)由一個(gè)豎向支撐筒、三根豎向樁腿、三根斜支撐筒、三根水平支撐筒以及三根水平連接筒組成。三根豎向樁腿、三根斜支撐筒、三根水平支撐筒以及三根水平連接筒均圍繞豎向支撐筒以圓周陣列的方式均布，三根水平支撐筒的一端均焊接至豎向支撐筒的下端，三根水平支撐筒的另一端分別焊接至三根豎向樁腿上，三根斜支撐筒的上端均焊接至豎向支撐筒上高于水平支撐筒的部位，三根斜支撐筒的下端分別焊接至三根豎向樁腿上，相鄰兩根豎向樁腿之間與一根水平連接筒的兩端焊接連接。
[0003]三腳架支撐結(jié)構(gòu)的斜支撐筒與豎向支撐筒的相貫處的外形復(fù)雜，且受到面內(nèi)外彎矩、推力等多重復(fù)雜載荷作用。應(yīng)力集中因子概念在海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較為成熟，但仍存在以下不足：通常選取極限強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)假設(shè)疲勞失效點(diǎn)，無(wú)法得到全場(chǎng)累積損傷分布，容易得到較為危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
[0004]因此，本領(lǐng)域需要一種新的技術(shù)方案來(lái)解決上述問題。
專利技術(shù)內(nèi)容
[0005]本專利技術(shù)旨在解決上述技術(shù)問題，即解決現(xiàn)有海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)采用應(yīng)力集中因子概念無(wú)法得到全場(chǎng)累積損傷分布的問題。
[0006]本專利技術(shù)提供了一種海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法，所述海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)包括豎向支撐筒以及以所述豎向支撐筒為中心圓周陣列的至少三根斜支撐筒和對(duì)應(yīng)的豎向樁腿，每根所述斜支撐筒的上端焊接至所述豎向支撐筒的同一高度部位，每個(gè)所述斜支撐筒的下端焊接至對(duì)應(yīng)的樁腿的相同高度的部位，所述疲勞分析方法包括以下步驟：對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組與所述海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成的整機(jī)建立動(dòng)力學(xué)模型；根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出等效靜力載荷；對(duì)所述海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型，在所述有限元分析模型中所述斜支撐筒與所述豎向支撐筒的連接部分采用離散的六面體實(shí)體單元組成的實(shí)體模型而所述有限元分析模型的其他部分采用一維梁?jiǎn)卧Ｐ停辉谒鲇邢拊治瞿Ｐ椭兴鲐Q向支撐筒頂部的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)施加沿x軸、y軸、z軸方向的單位力和繞x軸、y軸、z軸的單位力矩，進(jìn)行有限元計(jì)算得到應(yīng)力影響矩陣；根據(jù)所述等效靜力載荷和所述應(yīng)力影響矩陣計(jì)算所述斜支撐筒與所述豎向支撐筒的焊縫的疲勞損傷結(jié)果。
[0007]在上述疲勞分析方法的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述動(dòng)力學(xué)模型為
其中，M為所述整機(jī)的整體質(zhì)量陣，C為所述整機(jī)的阻尼陣，K為所述整機(jī)的整體剛度陣，u(t)為所述整機(jī)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)序位移值，為所述整機(jī)各節(jié)點(diǎn)的速度，為所述整機(jī)各節(jié)點(diǎn)的加速度，F(xiàn)(t)為所述整機(jī)所受到的載荷。
[0008]在上述疲勞分析方法的優(yōu)選技術(shù)方案中，“根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出等效靜力載荷”的步驟具體包括：計(jì)算出所述整機(jī)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)在每種疲勞工況發(fā)生一次期間的時(shí)序位移值；計(jì)算出所述豎向支撐筒頂部的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)處的時(shí)序等效靜力載荷；其中，在所述時(shí)序等效靜力載荷的作用下所述整機(jī)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生與所述時(shí)序位移值相同的位移。
[0009]在上述疲勞分析方法的優(yōu)選技術(shù)方案中，“根據(jù)所述等效靜力載荷和所述應(yīng)力影響矩陣計(jì)算所述斜支撐筒與所述豎向支撐筒的焊縫的疲勞損傷結(jié)果”的步驟包括：根據(jù)所述應(yīng)力影響矩陣和所述時(shí)序等效靜力載荷計(jì)算出所述時(shí)序等效靜力載荷在所述焊縫上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)序等效應(yīng)力；確定所述焊縫的S
?
N曲線；根據(jù)所述時(shí)序等效應(yīng)力與所述S
?
N曲線確定出每種疲勞工況中每種應(yīng)力循環(huán)的可發(fā)生次數(shù)；確定在設(shè)計(jì)壽命期間每種疲勞工況中每種應(yīng)力循環(huán)的發(fā)生次數(shù)；根據(jù)每種疲勞工況中每種應(yīng)力循環(huán)的可發(fā)生次數(shù)和在設(shè)計(jì)壽命期間每種疲勞工況中每種應(yīng)力循環(huán)的發(fā)生次數(shù)基于Miner法則計(jì)算所述焊縫上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的累積疲勞損傷值。
[0010]在上述疲勞分析方法的優(yōu)選技術(shù)方案中，“根據(jù)所述時(shí)序等效應(yīng)力與所述S
?
N曲線確定出每種疲勞工況中每種應(yīng)力循環(huán)的可發(fā)生次數(shù)”的步驟具體包括：對(duì)所述時(shí)序等效應(yīng)力采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行處理后得到每種疲勞工況發(fā)生一次期間多種應(yīng)力循環(huán)的幅值和次數(shù)；根據(jù)每種應(yīng)力循環(huán)的幅值和所述S
?
N曲線確定出每種應(yīng)力循環(huán)的可發(fā)生次數(shù)。
[0011]在上述疲勞分析方法的優(yōu)選技術(shù)方案中，“確定在設(shè)計(jì)壽命期間每種疲勞工況中每種應(yīng)力循環(huán)的發(fā)生次數(shù)”的具體步驟：根據(jù)所述整機(jī)的設(shè)計(jì)載荷工況和設(shè)計(jì)壽命以及風(fēng)速威布爾曲線計(jì)算出所述設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)每個(gè)疲勞工況的發(fā)生次數(shù)；根據(jù)每種疲勞工況發(fā)生一次期間每種應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)和所述設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)每個(gè)疲勞工況的發(fā)生次數(shù)計(jì)算在設(shè)計(jì)壽命期間每種疲勞工況中每種應(yīng)力循環(huán)的發(fā)生次數(shù)。
[0012]在采用上述技術(shù)方案的情況下，根據(jù)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出等效靜力載荷，再根據(jù)斜支撐筒與豎向支撐筒的連接部分采用離散的六面體實(shí)體單元組成的實(shí)體模型而其他部分采用一維梁?jiǎn)卧Ｐ偷挠邢拊治瞿Ｐ?即整體
?
局部模型)來(lái)計(jì)算應(yīng)力影響矩陣，最后根據(jù)等效應(yīng)力載荷和應(yīng)力影響矩陣計(jì)算斜支撐筒與豎向支撐筒的焊縫的疲勞損傷結(jié)果，能夠獲取全場(chǎng)累積損傷分布，得到更加準(zhǔn)確的疲勞分析結(jié)果，避免了現(xiàn)有海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)采用應(yīng)力集中因子概念無(wú)法得到全場(chǎng)累積損傷分布的問題。利用建立的整體
?
局部模型來(lái)求解應(yīng)力影響矩陣，進(jìn)一步根據(jù)等效應(yīng)力載荷和應(yīng)力影響矩陣計(jì)算斜支撐筒與豎向支撐筒的焊縫的疲勞損傷結(jié)果，能夠獲取局部細(xì)節(jié)的精確應(yīng)力值，避免對(duì)整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散的整體有限元分析模型在進(jìn)行疲勞分析時(shí)需要巨大的計(jì)算量的情況發(fā)生，同時(shí)也弱化了局部結(jié)構(gòu)施加邊界條件對(duì)整體分析結(jié)果的依賴性，方便施加邊界條件。
附圖說(shuō)明
[0013]下面結(jié)合附圖來(lái)描述本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施方式，附圖中：
[0014]圖1是本專利技術(shù)海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法的主要步驟圖；
[0015]圖2是本專利技術(shù)一種實(shí)施例的海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。
[0016]附圖標(biāo)記列表：
[0017]1、豎向支撐筒；2、斜支撐筒；3、豎向樁腿；4、水平支撐筒。
具體實(shí)施方式
[0018]首先，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，下面描述的實(shí)施方式僅僅用于解釋本專利技術(shù)的技術(shù)原理，并非旨在限制本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。
[0019]基于
技術(shù)介紹
提到的現(xiàn)有海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)采用應(yīng)力集中因子概念無(wú)法得到全場(chǎng)累積損傷分布的問題，本專利技術(shù)提供了一種海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法，能夠獲取全場(chǎng)累積損傷分布，得到更加準(zhǔn)確的疲勞分析結(jié)果，避免了現(xiàn)有海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)采用應(yīng)力集中因子概念無(wú)法得到全場(chǎng)累積損傷分布的問題。利用建立的整體
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法，其特征在于，所述海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)包括豎向支撐筒以及以所述豎向支撐筒為中心圓周陣列的至少三根斜支撐筒和對(duì)應(yīng)的豎向樁腿，每根所述斜支撐筒的上端焊接至所述豎向支撐筒的同一高度部位，每個(gè)所述斜支撐筒的下端焊接至對(duì)應(yīng)的樁腿的相同高度的部位，所述疲勞分析方法包括以下步驟：對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組與所述海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成的整機(jī)建立動(dòng)力學(xué)模型；根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出等效靜力載荷；對(duì)所述海上風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型，在所述有限元分析模型中所述斜支撐筒與所述豎向支撐筒的連接部分采用離散的六面體實(shí)體單元組成的實(shí)體模型而所述有限元分析模型的其他部分采用一維梁?jiǎn)卧Ｐ停辉谒鲇邢拊治瞿Ｐ椭兴鲐Q向支撐筒頂部的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)施加沿x軸、y軸、z軸方向的單位力和繞x軸、y軸、z軸的單位力矩，進(jìn)行有限元計(jì)算得到應(yīng)力影響矩陣；根據(jù)所述等效靜力載荷和所述應(yīng)力影響矩陣計(jì)算所述斜支撐筒與所述豎向支撐筒的焊縫的疲勞損傷結(jié)果。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疲勞分析方法，其特征在于，所述動(dòng)力學(xué)模型為其中，M為所述整機(jī)的整體質(zhì)量陣，C為所述整機(jī)的阻尼陣，K為所述整機(jī)的整體剛度陣，u(t)為所述整機(jī)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)序位移值，為所述整機(jī)各節(jié)點(diǎn)的速度，為所述整機(jī)各節(jié)點(diǎn)的加速度，F(xiàn)(t)為所述整機(jī)所受到的載荷。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的疲勞分析方法，其特征在于，“根據(jù)所述動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出等效靜力載荷”的步驟具體包括：計(jì)算出所述整機(jī)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)在每種疲勞工況發(fā)生一次期間的時(shí)序位移值；計(jì)算出所述豎向支撐筒頂部的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)處的時(shí)序等效靜力載荷；其中，在所述時(shí)序等效靜力載荷的作用下所述整機(jī)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生與所述時(shí)序...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：龍凱，陸飛宇，李玉華，劉永前，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華北電力大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：