CN107346357B - 一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，属于海上风机整体结构长期疲劳耦合分析技术领域。该疲劳分析系统包含设计风速模拟、整体耦合模型建立、耦合动力反应分析、疲劳工况设定、疲劳荷载文件生成及整体耦合疲劳分析等计算模块。首先建立转子‑控制‑机舱‑塔筒‑基础结构的整体耦合模型；然后利用FAST‑SACS联合分析接口调用FAST，开展耦合动力反应分析；联合分析接口读入耦合分析的结果文件，生成疲劳分析所需的输入文件和计算配置文件，并输出到指定目录；建立质点‑塔筒‑基础的简化整体模型，基于生成的输入文件和计算配置文件，开展风浪流联合作用下的海上风机整体结构疲劳分析；最后，基于风机疲劳累积准则得到结构长期疲劳累积。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，属于海上风机整体结构长期疲劳耦合分析技术领域。
背景技术
我国海上风能蕴藏量丰富，最新颁布的国家十三五发展规划纲要明确指出了在并网发电以及资源开发方面提高海上风电所占的比重。相对于陆上风电，海上风能的开发成本较高，这主要是由于海上风电将面临更为复杂的运行条件以及环境荷载。目前，我国海上风电事业发展迅速，但我国的海上风电设计技术尚不成熟，与国际先进水平相比，仍存在较大差距。对于海上风机，风荷载、波浪荷载与结构之间的耦合效应对于结构反应具有显著影响，如何得到更为合理、准确的结构反应是目前海上风电领域的研究重点。现阶段我国海上风电结构设计多采用半整体方法，而这一方法的主要缺陷就是不能全面考虑环境荷载与结构反应之间的耦合效应以及气动阻尼对于基础结构反应的影响。
为了弥补现有海上风机设计方法的不足，本发明提出了基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，该系统基于FAST和SACS软件建立了不同环境荷载作用下的固定海上风机整体耦合分析模型，提出了海上风机整体耦合疲劳分析方法。首先，运用FAST系列软件，建立风浪流联合作用下的整体耦合分析模型，基于该模型可以实现正常、疲劳以及极端工况下的海上风机耦合反应分析。进一步，开发了FAST-SACS联合分析接口，基于该接口一方面可以通过调用FAST软件实现海上风机的整体耦合分析；另一方面也可以根据SACS中定义的分析类型，生成后续计算所需的荷载输入文件和计算配置文件，输出到指定的SACS工作目录。由此建立整体耦合模型的海上风机整体耦合疲劳分析系统。
基于该耦合疲劳分析系统一方面可以研究不同荷载条件下的风机运行控制方法，比如疲劳风浪荷载工况下的风机运行控制方法。另一方面，基于该系统开展海上风机疲劳分析，能够充分考虑塔筒柔度、上部结构布置对于基础结构疲劳累积的影响。此外，利用FAST-SACS联合分析接口能够实现多工况的并行计算，可以显著地提高计算效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，能够实现风浪流联合作用下的海上风机整体耦合疲劳反应分析以及海冰荷载作用下的冰激振动分析。该耦合分析系统包含了设计风速模拟、海冰荷载模拟、风机整体耦合模型建立、耦合动力反应分析、疲劳工况设定及疲劳荷载文件生成、风机整体耦合疲劳分析等计算模块；并且该系统同时包含基于半整体方法的海上风机疲劳分析模块，能够与整体耦合模型得到的疲劳结果进行对比验证。
本发明一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，各功能模块主要包括以下计算步骤和特征：
a. 利用FAST V8.0建立叶片-轮毂-机舱-控制-塔筒的整体耦合模型，依据海上风机疲劳设计工况及规范推荐的风谱和波浪谱生成疲劳计算所需的风速时程文件和波浪时程文件，依据海冰规范推荐的冰力模型或者冰力谱生成风机冰激振动分析所需的冰力时程文件；
b. 启动FAST-SACS联合分析接口，对FAST V8.0输入文件的有效性进行检查，调用FAST V8.0开展风浪联合作用下的耦合反应分析，得到风浪联合作用下海上风机结构的动力反应；
c. 在FAST-SACS联合分析接口中指定SACS 5.7的计算类型，读取FAST结果文件，依据指定的分析类型生成SACS 5.7计算所需的荷载文件和计算配置文件，存放到指定工作目录；
d. 在SACS 5.7中建立海上风机简化的整体结构模型，读入FAST-SACS联合分析接口生成的疲劳荷载文件和计算配置文件，开展海上风机整体耦合疲劳分析，得到风浪联合作用下的等效静力荷载；
e. 所述的步骤d具体包含以下建模和计算步骤:
e1. 在SACS中建立海上风机的整体结构简化模型，将风机上部结构简化为节点质量作用于其质心位置；
e2. 基于疲劳荷载设计重现期的疲劳控制荷载、桩-土非线性模型得到基础的线性刚度矩阵-超单元矩阵；
e3. 基于步骤e1中的海上风机的整体结构简化模型和步骤e2中的基础的线性刚度矩阵，同时施加海上风机整体耦合分析得到的疲劳荷载和计算参数设置文件，开展风机荷载、波浪荷载联合作用下的海上风机整体结构动力反应分析；
e4. 基于海上整体结构动力反应分析得到结构各关键节点的等效应力时程，以及设定的疲劳分析文件，开展风浪联合作用工况下的结构疲劳计算；
e5. 读入联合分析接口生成的多工况并行计算文件，进行多工况并行计算；
f. 依据雨流计数法、S-N曲线得到不同设计风速及对应波浪荷载联合作用下的结构疲劳累积；
g. 依据海上风机结构的疲劳累积准则，得到海上风机结构的长期疲劳累积；
h. 该系统中基于半整体方法的海上风机疲劳分析模型，具体计算过程如下：
i. 利用有限元软件ANSYS或ABAQUS建立风机基础结构的有限元模型，输出得到基础结构的质量和刚度矩阵；
j. 利用基于FORTRAN开发的基础超单元计算程序SELEMENT，读入步骤i中的基础结构质量和刚度矩阵，采用C-B方法进行缩聚，得到风机基础超单元矩阵；
k. 所述的步骤j中的基础超单元计算程序SELEMENT包含以下特征：
k1. 基础超单元前处理模块；
k2. 基于C-B方法的超单元计算主程序模块；
k3. SELEMENT-FAST程序接口模块；
l. 基于步骤j中的超单元矩阵，在FAST V7.0中建立叶片-轮毂-机舱-控制-塔筒的半整体模型, 依据疲劳设计工况和风机规范推荐的风谱生成疲劳计算所需的风速时程文件；
m. 启动FAST-SACS联合分析接口，首先对FAST V7.0输入文件的有效性进行检查，调用FAST V7.0开展风荷载作用下的结构动力反应分析，得到风荷载作用下的结构反应；
n. 在FAST-SACS联合分析接口中指定SACS 5.7的计算类型，读取FAST结果文件，依据指定的分析类型生成计算所需的塔筒底部风机荷载和计算配置文件，存放到指定工作目录；
o. 在SACS 5.7中建立海上风机基础结构模型，读入步骤n中的风机荷载文件和计算配置文件，依据设计波浪要素设置波浪谱参数生成随机波时程，开展风机荷载、波浪荷载联合作用下的风机基础结构动力反应分析，得到基础结构等效静力荷载；
p. 所述的步骤o中SACS 5.7中的基础结构有限元模型基于疲劳控制荷载、桩-土非线性模型得到基础的线性刚度矩阵；
q. 采用雨流计数法、S-N曲线得到不同设计风速及波浪要素联合作用下的风机基础疲劳累积；
r. 依据海上风机疲劳累积准则，得到风浪作用下风机基础结构的长期疲劳累积；
s. 基于步骤g和步骤r的计算结果，进行海上风机耦合疲劳分析方法和半整体疲劳分析方法的对比。
基于以上设计，本发明至少具有以下优点：
1. 建立了全面的海上风机整体耦合分析模型和校核体系，FAST-SACS联合分析接口将FAST的气弹性分析、整体耦合分析与SACS的等效静力分析、依规范校核进行了整合，能够开展海上风机在风浪流以及海冰等不同荷载条件下的整体耦合反应分析以及进行相应的强度校核、疲劳计算等，能够得到更为全面、合理的结构反应。
2. 耦合疲劳分析系统的FAST-SACS接口能够自主地调用FAST开展海上风机整体耦合反应分析，还可以调用SACS进行多工况并行计算，大大提高了计算效率，尤其是针对于疲劳工况。
3. 基于海上风机整体耦合模型得到的结构反应，充分的考虑了气动阻尼、水动阻尼以及耦合效应的影响，同时包含了风机不同的运行状态（风机停机、正常运行、紧急制动、故障停机）和不同的运行控制方法（叶片顺桨、变速变桨、叶尖制动、高速传动轴制动）。
4. 基于耦合疲劳分析系统可以得到涵盖整个风速运行区间的结构反应，而且基于该模型还可以研究风浪随机数种子、计算时长、加载步长等参数对风机结构关键节点疲劳累积的影响。
5. 该耦合疲劳分析系统同时包含了整体耦合模型和半整体模型，所以能够进行半整体疲劳分析方法和耦合疲劳分析方法的对比验证。
6. 海上风机耦合疲劳分析系统将海上风机整体耦合分析方法、结构反应的等效静力荷载生成以及计算结果的依规范校核进行了整合，对现有的海上风机半整体设计方法是一个巨大的提升。
附图说明
上述介绍仅是本发明技术方案的概述，为了更为详细和清楚地介绍本发明的关键技术手段，以下附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是海上风机耦合疲劳分析系统FAST-SACS联合分析接口的基本程序模块和接口开发的设计流程图。
图2是超单元程序SELEMENT计算得到的风机基础结构的超单元矩阵。
图3是3000节点改进的半整体方法和整体方法疲劳损伤对比图。
图4是4000节点改进的半整体方法和整体方法疲劳损伤对比图。
从图3、4中可以清楚的得出海上风机半整体方法与整体方法对于结构疲劳累积的影响。
具体实施方式
本发明一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统主要包括：设计风速模拟、风机整体耦合模型建立、耦合动力反应分析、疲劳工况设定及疲劳荷载文件生成、风机整体耦合疲劳分析等。各部分对应的分析方法包括以下步骤和特征：
第1步，在FAST V8.0中建立不同疲劳荷载联合作用下的海上风机整体耦合分析模型，依据疲劳计算工况添加相应的控制方法，比如变速变桨、偏航、叶片顺桨等。同时依据海上风机疲劳设计工况及规范推荐的风谱和波浪谱生成疲劳计算所需的风速时程文件和波浪时程文件，依据海冰规范推荐的海冰模型或者冰力谱生成冰激振动所需的冰力时程文件。
基于叶素动量理论或者广义的动态尾流模型开展叶片的气弹性分析，基于线性波理论、非线性波理论和莫里森（Morison）方程计算得到作用于基础结构的水动力荷载，基于静冰力模型、挤压冰力模型、屈曲冰力模型、非均匀冰力模型、浮冰模型计算得到作用于基础结构的冰力荷载，同时考虑环境荷载与结构反应之间的耦合效应。
该整体耦合模型包含还结构振动控制模块，可以采用调谐质量控制（TMD）、多重调谐质量控制（MTMD）来降低各荷载工况作用下的结构反应。
第2步，启动风机耦合疲劳分析系统的FAST-SACS联合分析接口。FAST-SACS联合分析接口首先读入FAST的输入文件，对输入文件的有效性进行初步检查，同时获取动力计算的部分关键参数，比如计算时长、计算步长等。
文件有效性检查无误后，FAST-SACS联合分析接口启动FAST主程序，开展海上风机整体耦合反应分析，得到相应的结果文件.fst。FAST-SACS联合分析接口依次读入各计算工况的结果文件.fst，将结果文件中的风机荷载时程存储于动态数组中，用于后续的输出和计算。
第3步，FAST-SACS联合分析接口确认SACS的分析类型，比如力时程+风时程+波浪时程、力时程+风时程+波浪谱、力时程+风谱+波浪时程以及力时程+风谱+波浪谱，以及是否需要开展多工况并行计算，生成SACS开展海上风机结构动力时程所需的风机荷载时程文件、计算配置文件以及多工况并行计算文件，并存储到指定的工作目录。
第4步，在SACS中建立简化的海上风机整体结构模型，这里的简化主要是指将风机的上部结构简化为节点质量，比如叶片、机舱等，但仍考虑上部结构相对于塔筒顶部坐标系的相对位置。基于疲劳荷载设计重现期的疲劳控制荷载、桩-土非线性模型得到了基础的线性刚度矩阵-超单元矩阵。
第5步，SACS读入计算配置文件、模型文件、海况文件、风机荷载时程文件、并行计算文件等计算所需文件，依据指定的分析类型开展风浪联合作用下的结构动力时程反应分析，得到各节点的等效静力荷载。
第6步，SACS疲劳分析模块读入结构动力时程分析得到的各节点等效静力荷载结果文件以及相应的疲劳计算输入文件，基于S-N曲线和雨流计数法开展风浪联合作用下海上风机的疲劳计算。
疲劳计算中包含了风机不同的运行状态及其对应的控制方法、不同的设计风速及相对应的波浪参数、不同的计算时长、不同类型的随机风谱和波浪谱，以及风机运行状态参数。
第7步，采用海上风机结构疲劳累积准则计算得到风机不同运行状态、不同荷载条件下的结构长期疲劳累积。
风机结构长期疲劳累积计算基于累积准则充分考虑了风浪联合分布、风机运行状态、控制策略的影响。
第8步，采用半整体方法开展风浪联合作用下的风机基础疲劳计算。
第9步，利用ANSYS或ABAQUS建立风机基础结构的有限元模型，该模型包含了采用P-Y，T-Z和Q-Z方法模拟的桩-土非线性有限元模型，基于该有限元模型得到基础结构的质量矩阵和刚度矩阵。
第10步，利用基于FORTRAN开发的基础超单元计算程序ELEMENT，读入第8步中的基础结构质量和刚度矩阵，采用C-B方法进行缩聚，得到风机基础超单元矩阵。
对于固定式海上风机其结构反应控制模态为前四阶模态，因此本系统在保证计算精度的前提下采用C-B方法对基础结构的质量和刚度矩阵进行凝聚，保证基础结构低阶动力特性的相似。
超单元计算程序SELEMENT具体的计算步骤为：
（1）运用超单元前处理模块读入第8步中的原始基础结构质量和刚度矩阵，将原始质量和刚度矩阵存储于动态数组中，并计算得到原始矩阵的特征值和特征向量；
（2）基础超单元计算主程序采用C-B方法对原始的质量和刚度矩阵进行缩聚，得到凝聚于基础结构法兰点的超单元矩阵，同时计算得到超单元矩阵的特征值和特征向量；
（3）超单元计算主程序进行原始矩阵的特征值、特征向量和超单元特征值、特征向量的对比，确认超单元矩阵的计算精度；
（4）超单元程序通过SELEMENT-FAST程序接口模块将计算得到的超单元矩阵(图2)传输到FAST中；
第11步，基于第9步中的基础超单元，在FAST V7.0中建立叶片-轮毂-机舱-控制-塔筒-超单元的半整体模型，依据疲劳设计工况和风机规范推荐的风谱生成计算所需的风速时程文件。
第12步，启动FAST-SACS联合分析接口，首先对FAST V7.0输入文件的有效性进行检查，同时获取动力时程分析的基本参数计算时长、计算步长；调用FAST V7.0开展风荷载作用下的风机结构动力反应分析，通过超单元模拟基础结构对上部结构反应的影响，得到风荷载作用下的上部结构反应和作用于上部结构与基础结构过渡点的风机荷载。
第13步，在FAST-SACS联合分析接口中指定SACS 5.7的计算类型，读取FAST结果文件.fst，依据指定的分析类型生成计算所需的过渡点风机荷载文件和计算配置文件，并存放到指定工作目录。
第14步，在SACS 5.7中建立海上风机基础结构模型，读入第12步中的风机荷载文件和计算配置文件，依据设计波浪要素设置波浪谱参数生成随机波时程，开展风机荷载、波浪荷载联合作用下的风机基础结构动力反应分析，得到基础结构等效静力荷载。
SACS 5.7中的基础结构有限元模型基于疲劳控制荷载、桩-土非线性模型得到基础的线性刚度矩阵用于风浪联合作用下的风机基础结构动力反应分析。
第15步，依据多工况并行计算配置文件，开展多工况并行计算。
第16步，采用雨流计数法、S-N曲线得到不同设计风速及波浪要素联合作用下的风机基础疲劳累积。
第17步，依据海上风机疲劳累积准则，得到风浪作用下风机基础结构的长期疲劳累积。
第18步，基于第7步和第17步计算结果，进行海上风机耦合疲劳分析方法和半整体疲劳分析方法的对比。
本系统针对每个疲劳工况的计算都是基于整体耦合分析模型进行的，通过FAST-SACS联合分析接口实现了多工况的并行计算，提高了计算效率；并且该系统整合了基于半整体模型的海上风机基础疲劳分析方法，能够进行耦合疲劳分析方法的对比验证。综合来看，本系统是更为先进的海上风机结构整体耦合疲劳分析方法，能够精确的计算风浪联合作用下风机结构的长期疲劳累积。
以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，其特征是：所述分析系统包括以下步骤：
a. 利用FAST V8.0建立叶片-轮毂-机舱-控制-塔筒的整体耦合模型，依据海上风机疲劳设计工况及规范推荐的风谱和波浪谱生成疲劳计算所需的风速时程文件和波浪时程文件，依据海冰规范推荐的冰力模型或者冰力谱生成风机冰激振动分析所需的冰力时程文件；
b. 启动FAST-SACS联合分析接口，对FAST V8.0输入文件的有效性进行检查，调用FASTV8.0开展风浪联合作用下的耦合反应分析，得到风浪联合作用下海上风机结构的动力反应；
c. 在FAST-SACS联合分析接口中指定SACS 5.7的计算类型，读取FAST结果文件，依据指定的分析类型生成SACS 5.7计算所需的荷载文件和计算配置文件，存放到指定工作目录；
d. 在SACS 5.7中建立海上风机简化的整体结构模型，读入FAST-SACS联合分析接口生成的疲劳荷载文件和计算配置文件，开展海上风机整体耦合疲劳分析，得到风浪联合作用下的等效静力荷载；
e. 所述的步骤d具体包含以下建模和计算步骤:
e1. 在SACS中建立海上风机的整体结构简化模型，将风机上部结构简化为节点质量作用于其质心位置；
e2. 基于疲劳荷载设计重现期的疲劳控制荷载、桩-土非线性模型得到基础的线性刚度矩阵；
e3. 基于步骤e1中的海上风机的整体结构简化模型和步骤e2中的基础的线性刚度矩阵，同时施加海上风机整体耦合分析得到的疲劳荷载和计算参数设置文件，开展风机荷载、波浪荷载联合作用下的海上风机整体结构动力反应分析；
e4. 基于海上整体结构动力反应分析得到结构各关键节点的等效应力时程，以及设定的疲劳分析文件，开展风浪联合作用工况下的结构疲劳计算；
e5. 读入联合分析接口生成的多工况并行计算文件，进行多工况并行计算；
f. 依据雨流计数法、S-N曲线得到不同设计风速及对应波浪荷载联合作用下的结构疲劳累积；
g. 依据海上风机结构的疲劳累积准则，得到海上风机结构的长期疲劳累积；
h. 该系统中基于半整体方法的海上风机疲劳分析模型，具体计算过程如下：
i. 利用有限元软件ANSYS或ABAQUS建立风机基础结构的有限元模型，输出得到基础结构的质量和刚度矩阵；
j. 利用基于FORTRAN开发的基础超单元计算程序SELEMENT，读入步骤i中的基础结构质量和刚度矩阵，采用C-B方法进行缩聚，得到风机基础超单元矩阵；
k. 所述的步骤j中的基础超单元计算程序SELEMENT包含以下特征：
k1. 基础超单元前处理模块；
k2. 基于C-B方法的超单元计算主程序模块；
k3. SELEMENT-FAST程序接口模块；
l. 基于步骤j中的超单元矩阵，在FAST V7.0中建立叶片-轮毂-机舱-控制-塔筒的半整体模型, 依据疲劳设计工况和风机规范推荐的风谱生成疲劳计算所需的风速时程文件；
m. 启动FAST-SACS联合分析接口，首先对FAST V7.0输入文件的有效性进行检查，调用FAST V7.0开展风荷载作用下的结构动力反应分析，得到风荷载作用下的结构反应；
n. 在FAST-SACS联合分析接口中指定SACS 5.7的计算类型，读取FAST结果文件，依据指定的分析类型生成计算所需的塔筒底部风机荷载和计算配置文件，存放到指定工作目录；
o. 在SACS 5.7中建立海上风机基础结构模型，读入步骤n中的风机荷载文件和计算配置文件，依据设计波浪要素设置波浪谱参数生成随机波时程，开展风机荷载、波浪荷载联合作用下的风机基础结构动力反应分析，得到基础结构等效静力荷载；
p. 所述的步骤o中SACS 5.7中的基础结构有限元模型基于疲劳控制荷载、桩-土非线性模型得到基础的线性刚度矩阵；
q. 采用雨流计数法、S-N曲线得到不同设计风速及波浪要素联合作用下的风机基础疲劳累积；
r. 依据海上风机疲劳累积准则，得到风浪作用下风机基础结构的长期疲劳累积；
s. 基于步骤g和步骤r的计算结果，进行海上风机耦合疲劳分析方法和半整体疲劳分析方法的对比。
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