大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔頂法蘭疲勞分析

1、大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔頂法蘭疲勞分析大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔頂法蘭疲勞分析杜靜，牛興海，何玉林，呂向飛(重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)摘要摘要：本文基于風(fēng)力機(jī)法蘭有限元分析模型，對MW級風(fēng)力機(jī)法蘭疲勞損傷進(jìn)行了研究。利用MSC.MarcMentat軟件分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)法蘭的疲勞應(yīng)力；運(yùn)用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法計(jì)算了法蘭的疲勞載荷譜。最后，提出了一種將雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法與PalmgrenMiner線性累積損傷理論相結(jié)合的法蘭疲勞損傷計(jì)算

2、的方法，并根據(jù)GL規(guī)范修正了法蘭材料的SN曲線。分析結(jié)果表明，本文提出的方法是可靠實(shí)用的，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組法蘭的疲勞壽命分析提供了一個(gè)更為準(zhǔn)確的分析思路，具有一定的工程實(shí)用意義。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；法蘭；有限元法；疲勞載荷；疲勞分析中圖分類號中圖分類號：TK83文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AFatigueanalysisofMWlevelwindturbinetopflangeDUJing，NIUXinghai，HEYulin，LVXi

3、angfei(TheStateKeyLabatyofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity，Chongqing400030，China)Abstract:ThefatiguedamageofMWlevelwindturbinetopflangehasbeenstudiedbasedonthewindturbinetopflangefiniteelementmodelinthepaper.Wi

4、thfatiguestressanalyzedbythenonlinearfiniteelementsoftwareMSC.MarcMentat，thefatigueloadspectrumhasbeencalculatedbytherainflowcirculationcountmethod.AnewmethodwhichcombinestherainflowcirculationcountmethodwithPalmgrenMine

5、rlinearcumulativedamagelawtocalculatethefatiguedamageoftopflangehasbeendevelopedinthepaper.Intheprocessoffatiguedamageanalysis，theSNcurveoftopflangematerialhasbeenmodifiedaccdingtoGLstard.Theresultsindicatethatthetopflan

6、gefatiguedamagecalculationmethodpromotedinthepapercanbeappliedinalargerangeprovidingameaccurateideaoffatigueanalysisofwindturbineshaftthisapproachalsohaspracticalsignificanceinengineering.Keywds:windturbinetopflangefinit

7、eelementmethodfatigueloadfatigueanalysis基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2009BAA22B02）通訊作者通訊作者：牛興海（1986），男，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)方面的研究。電話：02365102409.郵箱：niuxinghai@風(fēng)能是近年來發(fā)展最為迅速的可再生能源。從2000年至2008年，全球風(fēng)電年均增長率約為28%[1]。而據(jù)國際能源署（IEA）的保守估計(jì)，到2015年，全球

8、風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到295.8GW[2]。風(fēng)能的快速發(fā)展帶動了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組朝著大功率方向發(fā)展。而大功率MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，法蘭連接是風(fēng)力機(jī)上應(yīng)用較多的重要結(jié)構(gòu)，特別是塔頂法蘭。塔頂法蘭承受著來自塔筒頂部的各種交變載荷，這些交變載荷包括風(fēng)載、風(fēng)機(jī)自身重力等。但是在法蘭鍛造過程中，材料內(nèi)部固有缺陷（氣孔、夾雜和裂紋等）嚴(yán)重影響法蘭的疲勞壽命[3]，法蘭的疲勞損傷甚至直接影響整個(gè)機(jī)組的性能。使用有限元方法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)法蘭進(jìn)行疲勞分析，對于

9、法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及整機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要意義。本文以塔頂法蘭為例，采用雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算了塔頂法蘭疲勞載荷譜；并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)德國勞埃德船級社規(guī)范，采用PalmgrenMiner線性累積損傷理論，利用有限元疲勞分析軟件MSC.Fatigue分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔頂法蘭疲勞損傷。1法蘭疲勞分析標(biāo)準(zhǔn)法蘭疲勞分析標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)法蘭在20年內(nèi)不出現(xiàn)疲勞失效是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、校核的標(biāo)準(zhǔn)。如今在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)過程中，國內(nèi)外的風(fēng)電制造生產(chǎn)企業(yè)常用的方法是

10、首先通過建立仿真模型，然后結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來確保零部件的疲勞壽命在許可的范圍內(nèi)，這不但要求設(shè)計(jì)人員能有效地運(yùn)用仿真軟件，還需要他們具有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。認(rèn)證機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢也正2.2疲勞載荷譜在結(jié)構(gòu)的疲勞分析中，需要統(tǒng)計(jì)各個(gè)測點(diǎn)記錄的應(yīng)力時(shí)間歷程。而從風(fēng)場獲取的隨機(jī)的、不規(guī)則的載荷時(shí)間歷程曲線是不規(guī)律的，且對于疲勞分析來說有很多無效數(shù)據(jù)，這些無效數(shù)據(jù)在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理時(shí)是可以刪除的[12]。將載荷時(shí)間歷程轉(zhuǎn)化為一系列的完整循環(huán)載荷的過程，叫做“

11、計(jì)算法”，它的出發(fā)點(diǎn)是疲勞損傷的構(gòu)成，對隨機(jī)載荷時(shí)間歷程進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)處理，處理的對象主要是隨機(jī)載荷的發(fā)生次數(shù)及某些量值。通過大量的試驗(yàn)證明：載荷幅值是影響疲勞損傷的主要因素。因此統(tǒng)計(jì)幅值的計(jì)數(shù)法成為疲勞分析中的常用方法。目前各種文獻(xiàn)中提及的計(jì)數(shù)法有很多種，但從統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看，大體上分為兩類，分別是單參數(shù)法和雙參數(shù)法[13]。單參數(shù)法有較大的缺陷，因?yàn)樗豢紤]了一個(gè)參數(shù)，一般不足以描繪載荷循環(huán)的特性。雙參數(shù)計(jì)數(shù)法是基于金屬材料的應(yīng)力－應(yīng)變行

12、為的計(jì)數(shù)法。該方法將材料的應(yīng)力－應(yīng)變行為與應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線相對應(yīng)，此時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線即為載荷循環(huán)。這些載荷循環(huán)的大小相等，方向相反。雙參數(shù)計(jì)數(shù)法能完整的反映隨機(jī)載荷時(shí)間歷程的特點(diǎn)，是一種相對比較完善的方法。因?yàn)樵摲ㄉ婕傲溯d荷時(shí)間歷程的變程和均值，還考慮了載荷先后次序的關(guān)系。除此以外，雙參數(shù)計(jì)數(shù)法在計(jì)數(shù)過程中，中間載荷不會影響計(jì)數(shù)結(jié)果，計(jì)數(shù)要求簡單，計(jì)數(shù)結(jié)果具有唯一確定性。雨流計(jì)數(shù)法是雙參數(shù)計(jì)數(shù)法中的一種，該法從計(jì)數(shù)原則上看計(jì)數(shù)過程與

13、材料的循環(huán)應(yīng)力－應(yīng)變特性相一致，具備堅(jiān)實(shí)的力學(xué)根據(jù)，并易于在計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，是目前公認(rèn)的最先進(jìn)的計(jì)數(shù)法之一。該法為疲勞載荷譜的編制和疲勞壽命的估算提供了理論方法[13]。2.2.1雨流計(jì)數(shù)法基本原理雨流計(jì)數(shù)法又稱為“塔頂法”，是上世紀(jì)50年代由英國的兩位工程師M.Matsuishi和T.Endo提出來的[14]。該法能把實(shí)測載荷歷程簡化成很多個(gè)載荷循環(huán)，并將它們提供給疲勞壽命估算和編制疲勞試驗(yàn)載荷譜。雨流計(jì)數(shù)法的計(jì)數(shù)規(guī)則為：①根據(jù)原始的

14、時(shí)間載荷時(shí)程曲線圖(見圖1(a))，重新安排時(shí)間載荷時(shí)程曲線(見圖1(b))，雨流在試驗(yàn)記錄的起點(diǎn)和依次在每一個(gè)峰值的內(nèi)邊開始，亦即從a，b，c，…等尖點(diǎn)開始；②雨流在流到屋檐處（即峰值）豎直下滴，一直到對面出現(xiàn)一個(gè)比開始時(shí)的最大值更正的最大值，或比開始時(shí)的最小值更負(fù)的最小值為止(見圖1(c))；③雨流停止流動的原則是遇到來自上面屋頂流下的雨為止；④按照雨滴的起點(diǎn)和終點(diǎn)，畫出各個(gè)循環(huán)，并取出所有循環(huán)，記錄其峰谷值(見圖1(d))；⑤每一

15、個(gè)雨流循環(huán)的縱向長度可以作為該循環(huán)的幅值。圖1雨流計(jì)數(shù)法原理Fig.1principleofrainflowcirculationcountmethod2.2.2法蘭疲勞載荷譜按照GL規(guī)范制定的對法蘭疲勞壽命有影響的工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后利用雨流計(jì)數(shù)法仿真得到時(shí)域等效疲勞載荷譜，共有6個(gè)大的疲勞載荷工況（內(nèi)含40個(gè)具體的疲勞載荷工況），每個(gè)工況含6個(gè)載荷分量的等效疲勞載荷譜?，F(xiàn)列舉DLC1.2aa工況為例，此工況的時(shí)域等效疲勞載荷譜如圖