CN107563041B - 一种风电机组大部件静强度快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组大部件静强度快速评估方法，建立包含大部件关键节点的各个应力分量与载荷分量的对应关系的强度分析数据库；基于强度分析数据库，采用应力分量插值和等效应力合成的方法进行大部件静强度快速评估；通过对快速评估方法和有限元法的结果进行对比，计算得到评估结果的误差值，将应力分量差值和等效应力合成，对误差值进行修正，得到静强度评估方法。本发明在保证大部件静强度结果准确性的基础上，可以有效避免重复分析工作，极大地缩短风电机组大部件静强度分析的时间。

Description

一种风电机组大部件静强度快速评估方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组大部件静强度快速评估方法。

背景技术

近年来，在世界各国风电政策和相关法律法规的推动下，风电产业得到了快速发展。风电机组强度分析计算作为风电机组研发、制造过程中的核心环节，一直以来被风电机组制造商、高校以及研究机构所重视。

对于风电机组制造商，随着产品系列化的不断完善、新建风场数量不断增加，且所遇到的风场风资源情况不同，机位载荷差异化显著，需要进行大量的强度评估工作。

对风电机组大部件进行静强度分析的工作量非常巨大，若每次对一个未知风场的风电机组大部件进行静强度校核需要花费大量时间。若基于该机型的风机大部件强度分析数据库进行应力分量插值和等效应力合成，快速得到特定风场、机位下的大部件静强度应力结果，可以有效避免重复分析风电机组大部件，极大地缩短风电机组大部件静强度分析的时间。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种风电机组大部件静强度快速评估方法，本发明在保证大部件静强度结果准确性的基础上，可以有效避免重复分析工作，极大地缩短风电机组大部件静强度分析的时间。

为进一步更好的说明，本发明的大部件为轮毂、主轴、主机架和轴承座。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风电机组大部件静强度快速评估方法，以下步骤：

(1)建立包含大部件关键节点的各个应力分量与载荷分量的对应关系的强度分析数据库；

(2)基于强度分析数据库，采用应力分量插值和等效应力合成的方法进行大部件静强度快速评估；

(3)通过对快速评估方法和有限元法的结果进行对比，计算得到评估结果的误差值，将应力分量插值和等效应力合成，对误差值进行修正，得到静强度评估方法。

所述步骤(1)中，选取典型的风电机组模型，获取风电机组设计的载荷的极限工况载荷表。

所述步骤(1)中，根据极限工况载荷表，设定各个载荷分量的最小值和最大值，最小值与最大值需要将极限载荷表中的值包络在内，构建加载工况表，将载荷分成多个等级依次加载。

所述步骤(1)中，根据极限载荷下的静强度有限元计算结果，选取目标节点，节点均匀分布于主轴表面应力值大于设定值的区域内。

所述步骤(1)中，使用构建的静强度有限元模型计算各个加载工况下目标节点的各个应力分量，得到各个节点应力分量与各个载荷分量间的对应关系，形成强度分析数据库。

所述步骤(2)中，根据强度分析数据库，通过线性插值得到工况中对应载荷分量对应的某目标节点应力分量，相加得到该工况中目标节点应力分量合力，利用Von mises应力公式合成得到该目标节点的等效应力。

所述步骤(3)中，将合成应力与计算应力的最大误差作为误差值。

所述步骤(3)中，通过有限元分析结果和快速评估结果的对比分析，获得快速评估方法的误差值，再对大部件进行静强度快速评估时，将误差值考虑在内。

应力分量共包括6个。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明通过结合有限元分析和线性插值等方法，形成合适的静强度快速评估方法，该方法能够解决风电机组大部件静强度计算速度较慢的问题，通过该方法对风电机组大部件静强度进行快速评估，实现风电场机组选型和微观选址的快速响应，从而快速响应市场投标工作，提高整体效率；

2)通过该方法快速实现逐机位分析，快速实现机组差异化、最优化设计，弥补了现有常规分析方法速度较慢的不足；

3)实现大部件静强度分析过程的流程化、数据化、系统化，且具有可持续性优化的可能，增强风电场前期技术支持的竞争力；

4)本发明建立的风电机组大部件静强度快速评估方法能够快速得到大部件指定节点的应力情况，实现强度分析的“精细化”。

5)本发明建立的风电机组大部件静强度快速评估方法引入了误差的控制条件，增强了该方法的可信赖性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明风电机组大部件静强度快速评估方法的示意图；

图2是本发明风电机组静强度分析中所用动态轮毂载荷计算坐标系的示意图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在风电机组大部件进行静强度分析的工作量非常巨大，若每次对一个未知风场的风电机组大部件进行静强度校核需要花费大量时间的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种风电机组大部件静强度快速评估方法，在保证大部件静强度结果准确性的基础上，可以有效避免重复分析工作，极大地缩短风电机组大部件静强度分析的时间

本发明依托大量风电机组大部件的有限元分析结果，并结合有限元分析和线性插值方法，形成合适的静强度快速评估方法。

以主轴为例对大部件静强度快速评估方法进行描述，根据机组设计载荷的极限工况载荷表(如表1所示)，设定6个载荷分量的最小值和最大值，最小值与最大值需要将极限载荷表中的值包络在内，分别记为Mxmin、Mxmax、Mymin……等。

表1轮毂中心旋转坐标系极限载荷

设置加载工况表，如表2所示，将Mxmin、Mxmax、Mymin……等极值分为8步依次加载，1至工况8的载荷分别为Mxmin、Mxmin*7/8……Mxmin*1/8，9至工况16的载荷分别为Mxmax*1/8、Mxmax*2/8……Mxmax，直至工况96。

表2加载工况表

根据极限载荷下的静强度有限元计算结果，选取目标节点，节点均匀分布于主轴表面应力值较大区域。

使用同样的有限元模型，计算表2中的96个工况。

提取96个加载工况下目标节点的六个应力分量Sx、Sy、Sz、Sxy、Syz、Sxz，得到6个节点应力分量与各个载荷分量间的对应关系，形成强度分析数据库。如表3和表4所示，其中“Mx”、“My”为载荷分量的名称，“1”为目标节点中的序号，“331072”为节点号，第二列中第三行及以下为对应的载荷值。

表3 6个应力分量与Mx的对应表格(单位kNm、Mpa)

Mx	1
									331072	Sx	Sy	Sz	Sxy	Syz	Sxz
	-2200	-0.262	-0.107	-0.14	0.098	4.822	-101.749
									-1925	-0.201	-0.082	-0.107	0.075	4.22	-89.03
	-1650	-0.147	-0.06	-0.079	0.055	3.617	-76.312
									-1375	-0.102	-0.042	-0.055	0.038	3.014	-63.593
	-1100	-0.066	-0.027	-0.035	0.024	2.411	-50.874
									-825	-0.037	-0.015	-0.02	0.014	1.808	-38.156
	-550	-0.016	-0.007	-0.009	0.006	1.206	-25.437
									-275	-0.004	-0.002	-0.002	0.002	0.603	-12.719
	400	-0.009	-0.004	-0.005	0.003	-0.877	18.5
									800	-0.035	-0.014	-0.018	0.013	-1.754	37
	1200	-0.078	-0.032	-0.042	0.029	-2.63	55.499
									1600	-0.139	-0.057	-0.074	0.052	-3.507	73.999
	2000	-0.217	-0.089	-0.115	0.081	-4.384	92.499
									2400	-0.312	-0.128	-0.166	0.116	-5.261	110.999
	2800	-0.424	-0.174	-0.226	0.158	-6.138	129.498
									3200	-0.554	-0.227	-0.295	0.206	-7.015	147.998

表4 6个应力分量与My的对应表格(单位kNm、Mpa)

对于某个极限工况的6个载荷Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz，根据强度分析数据库，通过线性插值得到工况中Mx对应的某目标节点应力分量Sx_-Mx、Sy_-Mx、Sz_-Mx、Sxy_-Mx、Syz_-Mx、Sxz_-Mx，同理得到其他5个载荷对应的该目标节点应力分量，相加得到该工况中目标节点应力分量合力，即：

Sx＝Sx_-Mx ⁺Sx_-My ⁺Sx_-Mz ⁺Sx_-Fx ⁺Sx_-Fx ⁺Sx_-Fx

Sy＝Sy_-Mx ⁺Sy_-My ⁺Sy_-Mz ⁺Sy_-Fx ⁺Sy_-Fx ⁺Sy_-Fx

Sz＝Sz_-Mx ⁺Sz_-My ⁺Sz_-Mz ⁺Sz_-Fx ⁺Sz_-Fx ⁺Sz_-Fx

Sxy＝Sxy_-Mx ⁺Sxy_-My ⁺Sxy_-Mz ⁺Sxy_-Fx ⁺Sxy_-Fx ⁺Sxy_-Fx

Syz＝Syz_-Mx ⁺Syz_-My ⁺Syz_-Mz ⁺Syz_-Fx ⁺Syz_-Fx ⁺Syz_-Fx

Sxz＝Sxz_-Mx ⁺Sxz_-My ⁺Sxz_-Mz ⁺Sxz_-Fx ⁺Sxz_-Fx ⁺Sxz_-Fx

再通过Von mises应力公式合成得到该目标节点的等效应力。

表5为主轴的合成应力与计算应力对比表格，只选取了8个目标节点、四个极限载荷工况的结果进行对比分析，其中，合成应力指通过大部件快速评估方法得到的等效应力。从表中可知，4个工况的最大应力点发生在Mymin极限载荷工况的2号目标节点处，合成应力与计算应力的最大误差为0.343％。对于应力较小点，误差会大一些，最大误差达到11.666％。但由于在判断大部件的静强度是否满足要求时，使用的是最大应力值进行判断，应力小的点可以忽略不计，因此主轴的合成应力与计算应力的误差应取为0.343％，误差值很小。

表5主轴合成应力与有限元结果对比表格(应力单位MPa)

用相同的方法对主机架、轴承座进行静强度快速评估，得到主机架、轴承座的合成应力与有限元结果对比表格。

表6为主机架合成应力与有限元结果对比表格，只选取了8至17号目标节点、四个极限载荷工况的结果进行对比分析。从表中可知，4个工况的最大应力点，发生在Mzmax极限载荷工况的15号目标节点处，合成应力与计算应力的最大误差为-0.87％。此外，应力较小点的误差则比较大。

表6主机架合成应力与有限元结果对比表格(应力单位MPa)

表7为轴承座的合成应力与有限元结果对比表格，只选取了1至7号目标节点、四个极限载荷工况的结果进行对比分析。从表中可知，4个工况的最大应力点，发生在Mymin极限载荷工况的5号目标节点处，合成应力与计算应力的最大误差为5.61％。此外，应力较小点的误差比较大。

表7轴承座合成应力与有限元结果对比表格(应力单位MPa)

综上，在上述示例中，表3、表4展示了强度分析数据库中应力分量和载荷分量的对应关系，表5、表6、表7展示了本快速评估方法的误差值以及可靠性。显然，上述示例的结果成功地展示了本发明实施例所用方法可靠、精度较高，而以此建立的风电机组大部件静强度快速评估方法则可用于风电机组风场适应性的快速评估。

本发明建立的静强度快速评估方法具有以下优点：

1.快速响应，通过该方法实现大部件静强度快速评估(即“输入-输出”模式)，从而快速响应市场投标工作，提高整体效率；

2.通过该方法快速实现逐机位分析，快速实现机组差异化、最优化设计，弥补了现有常规分析方法速度较慢的不足；

3.实现大部件静强度分析过程的流程化、数据化、系统化，且具有可持续性优化的可能，增强风电场前期技术支持的竞争力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：以下步骤：

(1)建立包含大部件关键节点的各个应力分量与载荷分量的对应关系的强度分析数据库；

(2)基于强度分析数据库，采用应力分量插值和等效应力合成的方法进行大部件静强度快速评估；

(3)通过对快速评估方法和有限元法的结果进行对比，计算得到评估结果的误差值，将应力分量插值和等效应力合成，对误差值进行修正，得到静强度评估方法；

所述步骤(1)中，根据极限工况载荷表，设定6个载荷分量的最小值和最大值，最小值与最大值需要将极限载荷表中的值包络在内，构建加载工况表，将载荷分成多个等级依次加载。

2.如权利要求1所述的一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：所述步骤(1)中，选取典型的风电机组模型，获取风电机组设计的载荷的极限工况载荷表。

3.如权利要求1所述的一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：所述步骤(1)中，根据极限载荷下的静强度有限元计算结果，选取目标节点，节点均匀分布于主轴表面应力值大于设定值的区域内。

4.如权利要求1所述的一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：所述步骤(1)中，使用构建的静强度有限元模型计算各个加载工况下目标节点的六个应力分量，得到6个节点应力分量与各个载荷分量间的对应关系，形成强度分析数据库。

5.如权利要求1所述的一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：所述步骤(2)中，根据强度分析数据库，通过线性插值得到工况中对应载荷分量对应的某目标节点应力分量，相加得到该工况中目标节点应力分量合力，利用Von mises应力公式合成得到该目标节点的等效应力。

6.如权利要求1所述的一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：所述步骤(3)中，将合成应力与计算应力的最大误差作为误差值。

7.如权利要求1所述的一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：所述步骤(3)中通过有限元分析结果和快速评估结果的对比分析，获得快速评估方法的误差值，再对大部件进行静强度快速评估时，将误差值考虑在内。

8.如权利要求1所述的一种风电机组大部件静强度快速评估方法，其特征是：应力分量共包括6个。

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