CN110414102B - 海上风力发电结构疲劳分析方法 - Google Patents
海上风力发电结构疲劳分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于海上风力发电结构技术领域，提供了海上风力发电结构疲劳分析方法，根据海上风电结构风、浪随机荷载特征，海上风力发电结构疲劳分析系统主要由三个独立模块构成，包括风‑浪荷载生成模块、疲劳荷载组合模块和考虑气动阻尼的影响的风机结构疲劳分析模块，三者联合运行或独立运行。本发明的海上风力发电结构疲劳分析方法可以考虑风、浪等作用下塔架振动与气动作用的耦合效应，可以计算风浪下塔架振动引起的气动阻尼变化的影响，风机结构的疲劳损伤更为准确。
Description
技术领域
本发明属于海上风力发电结构技术领域，涉及风、浪等随机荷载作用下海上风力发电结构疲劳分析方法。
背景技术
海上风机在全寿命周期的运行过程中始终处于风、浪等随机荷载的作用，北方海域在冬季可能还有长期的冰激振动的作用，由于环境腐蚀、海底冲刷、叶片结冰等影响，结构特征也在不断的变化，在复杂运行环境中风机塔架、叶片等可能发生影响到结构安全和运行性能的疲劳损伤，对海上风机结构的疲劳安全进行分析评估是风电结构设计的关键要素。
对于海上风力发电结构的疲劳作用分析，德国船级社等欧美国家及行业有比较详细的规定，我国还没有专门的规范操作规程，特别是多种荷载组合作用下的疲劳分析方面只能参考其他相关规范。实际上，海上风电结构始终处于风、浪荷载的不同组合作用下，这个过程是时变的，既包括风生浪导致的荷载相关性，也包括叶片运行中波浪作用下引起的结构气动阻尼的变化；因此，风、浪荷载组合下的海上风机结构的疲劳分析评估，不仅包括荷载作用组合形式，也包括风电结构这一特殊形式导致的气动阻尼的方向性变化。
由于风机结构动力分析涉及到结构动力学、水动力学、气动力学以及机电控制等多个领域，涉及到不同性能计算之间的耦合、衔接等，涉及参数多，分析评估方法不统一，因此，开发海上风电结构疲劳分析系统，生成针对不同分析方法的海上风浪荷载作用及接口，提供基于不同荷载组合形式的疲劳分析计算模块，可以极大的方便海上风电结构的疲劳安全分析，并给出不同方法的比较，对于全面衡量海上风电结构疲劳安全具有重要作用。
发明内容
本发明目的是研发一套海上风力发电结构疲劳分析方法。
本发明的技术方案：
海上风力发电结构疲劳分析方法，根据海上风电结构风、浪随机荷载特征，海上风力发电结构疲劳分析系统主要由三个独立模块构成，包括风-浪荷载生成模块、疲劳荷载组合模块和考虑气动阻尼的影响的风机结构疲劳分析模块，三者联合运行或独立运行；
风-浪荷载生成模块，主要用于生成风、浪荷载，为其他模块提供荷载输入或提供荷载参数；风-浪荷载生成模块，包括针对频域分析的荷载生成模块和针对时域分析的荷载生成模块；浪荷载生成模块的操作流程：选择海浪谱的类型，根据其类型的不同选择进行波浪荷载频域模拟或波浪荷载时域模拟；在进行波浪荷载频域模拟时，输入频率范围和频率步，由此输出波浪功率谱，得到波浪力谱密度；在进行波浪荷载时域模拟时，输入荷载时长和时间步，由此输出波面高程时程，根据是否考虑波面变化，得到计波面变化和不计波面变化的波浪力时程；风荷载生成模块的操作流程：输入风荷载的参数与风机参数，设置荷载时长与时间步，输出脉动风速；在得到脉动风速后，输入风机叶素量就得到叶轮风荷载；并且根据脉动风速设置塔架分段数，选择所求塔架风荷载作用段，输出等效作用点塔架的风荷载；
疲劳荷载组合模块将风-浪荷载生成模块得到的风、浪荷载组合；疲劳荷载组合模块包括荷载组合作用模块和结构响应组合模块；对于荷载组合作用模块，考虑风荷载和波浪荷载的相关性，提供荷载耦合作用方式；对于结构响应组合模块，不考虑风荷载和波浪荷载的相关性，提供荷载组合作用方式；提供根据频域和时域分析结果进行疲劳分析的不同组合分析方法，包括全时域模拟法、等幅载荷法、组合谱法、直接公式法、损伤叠加法、等效应力法不同子模块；
风机结构疲劳分析模块是主要计算分析模块，包括针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块以及针对频域分析的基于随机过程理论的疲劳分析模块；在针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块中，增加风机气动阻尼计算模块，考虑了气动阻尼对风机结构疲劳分析的影响；由于波浪增加了海上风机机组塔架的荷载，同时风轮的气动阻尼又抑制了机组对波浪和风的激励引起的前后摆动响应，因此风机气动阻尼对风机支撑结构的影响不能忽略；将风机气动阻尼加入时域疲劳损伤计算中，计算风浪耦合作用下结构的疲劳损伤值更加接近真实情况；在风机气动阻尼计算模块中，采用以下公式得到结构的气动阻尼：
式中：βareo为结构的气动阻尼；N为叶片数；ρ为空气密度；α为叶素攻角；CL为升力系数；c(r)为半径r处的叶素弦长；Ω为叶素线速度；f为转动频率；mrep为模态质量；R为叶片长度；本针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块计算流程如下，首先进行参数化建模，输入荷载时程，再输入气动阻尼，确定荷载作用位置后，进行动力时程分析；由此输出结构应力时程，然后导入Matlab进行雨流计数，在对其进行平均应力修正后，设置循环次数、结构设计寿命，最后得到结构疲劳损伤；针对频域分析的基于随机过程理论的疲劳分析模块计算流程如下：首先进行参数化建模，输入波浪力谱密度；然后进行模态分析，PSD分析(功率谱密度分析)；最后输出结构应力-频率曲线与方差。
本发明的有益效果：(1)可以考虑风、浪等作用下塔架振动与气动作用的耦合效应，可以计算风浪下塔架振动引起的气动阻尼变化的影响，风机结构的疲劳损伤更为准确。(2)本发明的模块既成为一个整体，整套单独使用；又可以为商用软件提供入口和出口的对接，将本发明的得到的结果输出至商业软件进行计算，或者将商业软件的数据输入至本发明中进行疲劳计算处理。(3)包含时域与频域的荷载生成与分析方法，不仅可以通过时域方法进行荷载时程生成与计算分析，也可以在频域内进行反应谱的生成与计算分析。(4)本发明包含了多种风机结构疲劳的计算方法，提供各种不同疲劳分析方法的对比，或指定公式或规范的分析。
附图说明
图1是单桩基础风力发电结构示意图。
图2是波浪功率谱密度。
图3是脉动风速时程。
图4是波面高程时程曲线。
图5是波浪力时程曲线。
图6是顶端脉动风速时程。
图7是顶点计算结果与Davenport谱的对比。
图8是应力幅值雨流计数柱状图。
图9是校核位置的应力时程。
图10是校核位置应力响应谱。
图11是风浪耦合作用下校核位置应力时程。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
(1)风、浪荷载生成模块，输入参数选择相应的功率谱，并采用组合谐波法生成随机荷载时程。
式中，η(t)为波面高程时程；M为叠加谐波的个数；t为时间时程；εi为第i个组成波在(0,2π)范围内的随机初相位；ω为波浪圆频率，采用等分频率法划分频率区间取Δω＝(ωmax-ωmin)/M，区间频率均值为
在各区间的内部随机地选取频率作为该区间的代表频率
为海浪功率谱。由上式就可根据给定的功率谱求得随机的波面高程时程。
对于风浪时程，根据后续分析程序的选择，提供两种接口，一种是直接提供风浪时程，一种是提供风浪荷载作用时程，具体为：对于风机塔架上的波浪荷载和风荷载作用，假设结构直径相对波长很小，采用Morison方程给出荷载作用，并考虑波面高程的实时变化；在Morison方程中，速度时程与加速度时程如下
式中，u(z,t)为波浪速度时程；t为时间时程；a(z,t)为波浪加速度时程；ωi为圆频率；ai为第i个组成波的圆频率；Ki为第i个波的波数；d为水深；z为计算点高度；εi为第i个组成波在(0,2π)范围内的随机初相位。作用在单位高度上的波浪力可以表示为
式中，CD与Cm分别为速度力系数和惯性力系数；ρ为流体密度；dε为等效桩径直径。随后，对单位波浪力沿高度积分；考虑波面高程的实时变化，将静水面高程与瞬时波面高程之和作为积分上限。则可得到考虑波面高程变化的总的波浪力计算公式：
式中，F(t)为波浪力计算公式；d为水深；CD与Cm分别为速度力系数和惯性力系数；dε为等效桩径直径；u(t)为波浪速度时程；a(t)为波浪加速度时程。
对于频率分析，不规则波浪可看成是很多个简谐波叠加而成的平稳随机过程，故采用随机过程理论中的线性变换，本发明采用线性化Morison方程。得出总波浪力表达式为:
式中，Sf(ω)为总波浪表达式；CD与Cm分别为速度力系数和惯性力系数；Sη(ω) 为波浪谱传递函数；D为桩径；k为波数；σu为方差；d为水深；z为计算点高度；ω为波浪圆频率。
(2)在疲劳分析模块中，根据疲劳荷载曲线，比如S-N曲线，基于Miner 线性累积损伤理论进行疲劳在分析；
式中D为结构疲劳累积损伤的一个度量；k为应力范围水平的级数；Ni为该应力水平下的疲劳寿命；ni为该应力水平次数。
由于风机叶轮的指向性，因此，对于风浪荷载组合下的疲劳，选取沿着塔架周向八个特征位置作为热点进行疲劳分析；并分别针对全时域模拟法、等幅载荷法、组合谱法、直接公式法、损伤叠加法、等效应力法等公式，开发相应的疲劳分析子模块。
对于时域疲劳分析，采用雨流计数法或修正的雨流计数法进行风浪耦合作用下的时域疲劳荷载分析，疲劳应力直接根据响应时程得到；对于频域疲劳分析，假设荷载应力峰值一般服从Rayleigh分布，可以得到按照下式的损伤值：
式中，Di为得到的损伤值，m0为相应于第i短期波况的应力谱零阶矩；Γ为伽马函数,N为荷载施加次数，A为等效荷载幅值。
实施例
(1)风、浪荷载生成模块
1.1，波浪频域分析模块实例：
针对图1所示结构，对基准为50年的波浪进行数值模拟。50年设计基准期的极值波高为7.96m，波浪周期为12.1s；波长为146m，极值风速为225.5m/s。将上述已知数据输入至程序进行计算，得出计算谱，将其与所求的目标谱进行对比分析。波浪功率谱密度对比如图2所示。
根据对比图可看出，计算结果与目标谱吻合，验证了本文程序对波浪功率谱频域分析的正确性。波浪力谱密度可以由本程序计算为如图3所示。
1.2，波浪时域计算模块实例：
计算所设定的频率步为0.05rad/s,频率取为0.05rad/s到5.05rad/s，时长为300s，得到的波浪高程时程如图4所示。
根据本程序及理论公式，考虑波面变化和不考虑波面变化的两种情况，得出具体的波浪力的时程如图5所示。
由图5可得，本程序的计算结果非常符合波浪荷载的时程规律。并且考虑波面高程变化时计算结果也更加符合现实工况，更加准确。
1.3，风荷载生成模块实例：
以文中图1所示的风机为例，计算频率取为0到20Hz，频率分割份数为1000，将脉动风荷载加载在模型顶端的质点上。取10m高度处平均的风速25.5m/s。计算结果的顶端脉动风速时程如图6所示：
将计算得到的功率谱与通用的Davenport谱进行对数形式的对比，发现对比结果与目标谱的趋势基本重合，如图7所示。对比结果验证了本文风荷载的计算程序对脉动风速时程模拟的正确性。
(2)风机结构疲劳分析模块
2.1，时域模块风荷载单独作用下疲劳计算实例
以上文中风机支撑结构为例，输入至本计算程序计算风机结构的疲劳损伤。风速17.4m/s,波高4.5m，波浪周期9.5s。根据时域计算模块的雨流计数法，将结果转化为柱状图得到图8。可以发现，本风机的设计寿命为20年，在20年的寿命中的循环次数为107次左右，应力范围取应力幅值的两倍,得到的风机荷载疲劳作用的结构疲劳损伤为0.186，在20年的寿命内风机不会发生疲劳破坏。
2.2，时域模块波浪荷载单独作用下疲劳计算实例
波浪力时程导入计算程序中，直接得到风机结构在波浪荷载下的结构损伤为0.403。图9为校核位置处的波浪力时程。
2.3，频域模块波浪荷载单独作用下疲劳计算实例
根据波浪力谱得到校核位置的应力响应谱如图10，得到损伤为0.390。发现结构在循环次数内不会发生疲劳破坏且损伤值与时域结果对比具有很好的精度。
(3)考虑气动阻尼的影响的风浪耦合作用下风机结构疲劳分析模块
以上述风机结构为例，考虑波浪作用下的风机振动耦合的气动阻尼可根据公式计算得约为4％。进行风浪耦合荷载风机结构疲劳分析，得到的风-浪耦合作用的应力时程曲线为图11，疲劳损伤超过了1，说明风机结构在寿命期内会发生疲劳破坏。
Claims (1)
1.一种海上风力发电结构疲劳分析方法，其特征在于，根据海上风电结构风、浪随机荷载特征，海上风力发电结构疲劳分析系统主要由三个独立模块构成，包括风-浪荷载生成模块、疲劳荷载组合模块和考虑气动阻尼的影响的风机结构疲劳分析模块，三者联合运行或独立运行；
风-浪荷载生成模块，主要用于生成风、浪荷载，为其他模块提供荷载输入或提供荷载参数；风-浪荷载生成模块，包括针对频域分析的荷载生成模块和针对时域分析的荷载生成模块；浪荷载生成模块的操作流程：选择海浪谱的类型，根据其类型的不同选择进行波浪荷载频域模拟或波浪荷载时域模拟；在进行波浪荷载频域模拟时，输入频率范围和频率步，由此输出波浪功率谱，得到波浪力谱密度；在进行波浪荷载时域模拟时，输入荷载时长和时间步，由此输出波面高程时程，根据是否考虑波面变化，得到计波面变化和不计波面变化的波浪力时程；风荷载生成模块的操作流程：输入风荷载的参数与风机参数，设置荷载时长与时间步，输出脉动风速；在得到脉动风速后，输入风机叶素量就得到叶轮风荷载；并且根据脉动风速设置塔架分段数，选择所求塔架风荷载作用段，输出等效作用点塔架的风荷载；
疲劳荷载组合模块将风-浪荷载生成模块得到的风、浪荷载组合；疲劳荷载组合模块包括荷载组合作用模块和结构响应组合模块；对于荷载组合作用模块，考虑风荷载和波浪荷载的相关性，提供荷载耦合作用方式；对于结构响应组合模块，不考虑风荷载和波浪荷载的相关性，提供荷载组合作用方式；提供根据频域和时域分析结果进行疲劳分析的不同组合分析方法，包括全时域模拟法子模块、等幅载荷法子模块、组合谱法子模块、直接公式法子模块、损伤叠加法子模块、等效应力法子模块；
风机结构疲劳分析模块是主要计算分析模块，包括针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块以及针对频域分析的基于随机过程理论的疲劳分析模块；在针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块中，增加风机气动阻尼计算模块，考虑了气动阻尼对风机结构疲劳分析的影响；由于波浪增加了海上风机机组塔架的荷载，同时风轮的气动阻尼又抑制了机组对波浪和风的激励引起的前后摆动响应，因此风机气动阻尼对风机支撑结构的影响不能忽略；将风机气动阻尼加入时域疲劳损伤计算中，计算风浪耦合作用下结构的疲劳损伤值更加接近真实情况；在风机气动阻尼计算模块中，采用以下公式得到结构的气动阻尼：
式中：βareo为结构的气动阻尼；N为叶片数；ρ为空气密度；α为叶素攻角；CL为升力系数；c(r)为半径r处的叶素弦长；Ω为叶素线速度；f为转动频率；mrep为模态质量；R为叶片长度；针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块计算流程如下，首先进行参数化建模，输入荷载时程，再输入气动阻尼，确定荷载作用位置后，进行动力时程分析；由此输出结构应力时程，然后导入Matlab进行雨流计数，在对其进行平均应力修正后，设置循环次数、结构设计寿命，最后得到结构疲劳损伤；针对频域分析的基于随机过程理论的疲劳分析模块计算流程如下：首先进行参数化建模，输入波浪力谱密度；然后进行模态分析，功率谱密度分析；最后输出结构应力-频率曲线与方差。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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