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      風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架風(fēng)致疲勞壽命評估

      2019-04-03 02:54:26于安林
      關(guān)鍵詞:塔架脈動風(fēng)力

      陸 越,于安林,陳 鑫

      (蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室;江蘇 蘇州 215011)

      近年來,隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的日益突出,風(fēng)能作為一種清潔無污染的可再生能源,受到世界各國越來越多的重視。目前風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為風(fēng)能資源利用的主要方式,風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)研究也就應(yīng)運(yùn)而生。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點有質(zhì)量輕、阻尼小、固有頻率低等,是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),而風(fēng)荷載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)疲勞破壞是風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中首要問題。

      JUAN[1]建立了風(fēng)機(jī)驗證模型,準(zhǔn)確地解釋了齒輪箱動態(tài)及激發(fā)系統(tǒng)的外部動力學(xué),并對風(fēng)機(jī)進(jìn)行了疲勞分析。疲勞分析表明,在軸承損壞的等效負(fù)載的影響下水平損壞程度更高。Yeter[2]對各種負(fù)載條件下的海上風(fēng)力渦輪機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)的時域疲勞損傷進(jìn)行評估,從不同區(qū)域的支持結(jié)構(gòu)的許多熱點進(jìn)行了分析。在頻域中結(jié)合聯(lián)合波和風(fēng)光譜,將所得的應(yīng)力譜密度函數(shù)的定義成逆快速傅立葉變換方法的應(yīng)力時程,最后提出支撐構(gòu)件不僅是結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分,在承載能力方面也受到最嚴(yán)重的疲勞損傷。裴舟滔[3]研究了反向平衡法蘭熱點有限元分析,根據(jù)反向平衡法蘭的受力特性,提出應(yīng)選取法蘭板與筒壁間焊縫的筒壁側(cè)焊趾為疲勞評估的關(guān)鍵位置。尹艷杰[4]根據(jù)內(nèi)蒙古武川風(fēng)場的場地條件,基于有限元軟件分析塔架在隨機(jī)風(fēng)荷載下的風(fēng)振響應(yīng),對風(fēng)電塔架承受的隨機(jī)風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬。基于線性累積損傷理論和S-N曲線來獲取塔架在設(shè)計使用壽命內(nèi)的疲勞累積損傷,估計出塔架的疲勞壽命,從而評估結(jié)構(gòu)的安全性。

      本文基于某5 MW大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),建立了多尺度有限元模型,并根據(jù)模擬的風(fēng)荷載對風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架進(jìn)行動力分析,再結(jié)合miner線性累積法則[5]和雨流計數(shù)法[6]對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞壽命的評估。

      1 有限元模型的建立

      基于5 MW三風(fēng)輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[7],風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架是細(xì)長的薄壁鋼管結(jié)構(gòu),為簡化模型,忽略各段之間法蘭盤的連接部分,認(rèn)為塔體為統(tǒng)一整體。塔高90 m,底徑6 m,頂徑3.87 m,塔體通長為變截面結(jié)構(gòu),底壁厚35.1 mm,頂壁厚24.7 mm,通長厚度由底部至頂部呈線性減小趨勢。各槳葉間呈120°夾角,沿軸向平均分布,風(fēng)輪直徑123 m,采用矩形變截面,初始段長3 m,寬0.8 m,厚度為10 mm,風(fēng)輪和塔體材料為Q345鋼。機(jī)艙質(zhì)量為24 000 kg,輪轂質(zhì)量為56 780 kg,每一個葉片的總質(zhì)量為17 740 kg,共3個。

      采用大型商業(yè)軟件ANSYS進(jìn)行模型建立,建立了梁單元與實體模型相結(jié)合的多尺度有限元模型(見圖1),上部塔架與葉片采用beam188單元,根據(jù)圣維南原理,確定了與土相連的塔體根部實體模型的高度,塔架根部采用solid186實體單元。在ANSYS有限元模型中葉片與機(jī)艙連接處設(shè)了一個Combine14單元,其X方向的扭轉(zhuǎn)常數(shù)為867 637 kN·m/rad,阻尼為6 215 kN·m/rad。在上部塔架和塔架根部實體模型建立時,由于兩者選用的單元的自由度不一樣,所以要引用約束方程的概念。文中采用MPC法,MPC法就是在實體單元的接觸面形成剛性梁域(剛性面),最后將梁直接與中心節(jié)點相連,如圖2所示。圖2(a)為桿單元與實體單元連接的局部多尺度有限元模型,圖2(b)為開啟梁單元截面顯示后的多尺度模型。

      圖1 多尺度有限元模型

      圖2 局部多尺度模型詳解

      應(yīng)用ANSYS和SAP2000有限元軟件對上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)桿系模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析,其中ANSYS提取模態(tài)振型時采用Block Lanzos模態(tài)提取法。Block Lanzos法功能比較完善,能夠提取大型模型中的多階振型,且此方法在計算精度和效率上都有較大的優(yōu)勢。ANSYS桿系模型、SAP2000桿系模型與ANSYS的多尺度有限模型的前八階自振頻率如表1所列。

      2 塔架脈動風(fēng)的模擬

      風(fēng)力機(jī)的脈動風(fēng)模擬分為塔架脈動風(fēng)和葉片脈動風(fēng)的模擬,由于本文主要研究的是塔架的疲勞評估,所以將葉片所承受的風(fēng)荷載直接加到了塔架的頂點上,這里主要介紹塔架的脈動風(fēng)的模擬。

      2.1 模擬方法

      采用諧波疊加法來模擬塔架來流風(fēng)速的時程,該方法是由Shinozuka提出的平穩(wěn)隨機(jī)過程進(jìn)行離散化數(shù)值模擬的一種研究方法。相干函數(shù)是空間風(fēng)場結(jié)構(gòu)重要的表達(dá)方式,在進(jìn)行脈動風(fēng)模擬時,必須考慮結(jié)構(gòu)所受脈動風(fēng)的空間相關(guān)性,本文選用的Davenport譜的相干函數(shù),其表達(dá)式如下

      式中,Cx、Cy、Cz為葉片和塔架上任意兩點橫向、順風(fēng)向、垂直向的衰減系數(shù),Cx=16,Cy=8,Cz=10。v(H)為高度 H處平均風(fēng)速。

      在脈動風(fēng)速的數(shù)值模擬工程中應(yīng)用我國荷載規(guī)范采用的Davenport譜[8],公式如下

      式中,n為順風(fēng)向脈動風(fēng)頻率;S(n)為Davenport水平脈動風(fēng)譜;v*為流動剪切風(fēng)速,,k與地貌有關(guān)(本文取 0.03),為 z=10 m 高度的平均風(fēng)速;。

      定義風(fēng)機(jī)上n個風(fēng)速模擬節(jié)點,假定均為零均值的平穩(wěn)高斯過程,其風(fēng)譜密度函數(shù)矩陣

      式中,Sii(ω)為節(jié)點脈動風(fēng)自功率譜,采用式(2)中的風(fēng)譜模型計算;Sij(ω)為互功率譜,加權(quán)公式如下

      再將進(jìn)行Cholesky分解,此時風(fēng)力發(fā)電塔架上的任何一個節(jié)點脈動風(fēng)速時程可由其功率譜決定,根據(jù)Shinozuka理論,模擬的風(fēng)速時程可表達(dá)為

      2.2 模擬結(jié)果

      利用上述的諧波疊加法,通過matlab編程對風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬。在整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)中選取了塔架上的四個脈動風(fēng)速計算點,分別為A、B、C、D,計算模型如圖3所示,在計算過程中脈動風(fēng)的上限頻率取4π,脈動風(fēng)頻率分割點數(shù)為2 048,頻率增量Δω=0.006 14 Hz,當(dāng)?shù)?0 y一遇的基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2,故取當(dāng)?shù)?0 m高的平均風(fēng)速為24 m/s。A、D兩點的瞬時風(fēng)速時程分別如圖4與圖5所示,其相應(yīng)的功率譜和相干函數(shù)如圖6與圖7所示??梢钥闯?,模擬所得風(fēng)速功率譜與目標(biāo)譜較吻合,趨勢基本一致,所模擬的相干函數(shù)效果相對較好,由此可知本節(jié)所采用的方法能較準(zhǔn)確地實現(xiàn)風(fēng)荷載的模擬。

      圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力計算點模型

      圖4 D點風(fēng)速時程

      圖5 A點風(fēng)速時程

      圖6 D點風(fēng)速功率譜密度

      圖7 A、D點風(fēng)速相干函數(shù)

      3 疲勞損傷分析

      對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架而言,易產(chǎn)生疲勞的地方主要在底部連接處和門洞的開孔位置,選取的是底部連接處的關(guān)鍵點,運(yùn)用名義應(yīng)力法,結(jié)合雨流計數(shù)法和miner線性損傷法則來預(yù)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的疲勞壽命。

      3.1 S-N曲線

      通常為了評價和估算疲勞強(qiáng)度和壽命,需要建立外荷載與疲勞壽命之間的關(guān)系,外荷載通過應(yīng)力S的形式表現(xiàn)出來,所以稱它們之間的關(guān)系為S-N曲線。材料的S-N曲線表現(xiàn)的是在應(yīng)力的循環(huán)作用下材料發(fā)生疲勞斷裂的疲勞壽命,表達(dá)式如下

      式中,α和C是疲勞試驗的參數(shù),與材料、應(yīng)力比、加載方式等均有關(guān)系,可以通過試驗得到;一般用σ代替S,β代替α。對上式同取對數(shù),得

      式中,A=lgC、B=-β。

      上式是通過常幅循環(huán)應(yīng)力試驗建立起來的,適合等幅應(yīng)力下的高周疲勞??紤]平均應(yīng)力的影響,一般需要通過Goodman公式進(jìn)行修正,如式(8)所示,通過式(8)的轉(zhuǎn)化即可得到平均應(yīng)力不為零時材料的疲勞失效模型。

      式中,σa為實際外加應(yīng)力幅;σ0為零平均應(yīng)力的等效應(yīng)力幅;σm為平均應(yīng)力;σb為材料極限強(qiáng)度。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[9],取名義應(yīng)力法的S-N曲線的對數(shù)表達(dá)式

      3.2 線性累積損傷理論

      由于本結(jié)構(gòu)屬于線性結(jié)構(gòu),本文采用Miner理論進(jìn)行線性損傷疊加,Miner線性疲勞累積損傷的計算主要有以下幾點:(1)計算荷載單獨(dú)作用時對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷。假設(shè)周期為20 y,在已知隨機(jī)幅值的情況下求出對應(yīng)的應(yīng)力均值,再根據(jù)應(yīng)力均值求出相應(yīng)的循環(huán)次數(shù);然后根據(jù)修正求出修正后的隨機(jī)應(yīng)力,并確定修正后的隨機(jī)應(yīng)力下的疲勞的循環(huán)次數(shù),最后該荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷就為應(yīng)力均值下的循環(huán)次數(shù)與修正后的隨機(jī)應(yīng)力下的循環(huán)次數(shù)的比值。

      (2)計算損傷累積量

      式中,ni為應(yīng)力均值的循環(huán)次數(shù),Ni為修正后的隨機(jī)應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)。

      (3)計算疲勞壽命

      3.3 壽命預(yù)測

      基于5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī),結(jié)合所模擬的風(fēng)荷載進(jìn)行動力分析,通過雨流計數(shù)法、Goodman應(yīng)力修正、S-N曲線和Pelmgren-miner線性累積損傷理論方法,再考慮風(fēng)向概率的影響,最后得到20 y的損傷量(見表2)。

      表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架底部關(guān)鍵點損傷量

      結(jié)果表明,塔架底部連接處考慮風(fēng)荷載,在名義應(yīng)立法下預(yù)估的疲勞壽命為91.3 y,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塔架的設(shè)計使用年限20 y,所以根據(jù)名義應(yīng)力法預(yù)估的塔架的疲勞壽命是滿足設(shè)計使用年限的。

      4 結(jié)論

      (1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模態(tài)分析結(jié)果表明,ANSYS與SAP2000所模擬出的前八階頻率基本相同,誤差最大在第三階陣型,為4.29%,與實測數(shù)據(jù)幾近相同,其各階振型變形模式也完全相同。(2)塔架底部連接處考慮風(fēng)荷載,在名義應(yīng)力法下結(jié)合雨流計數(shù)法、Goodman應(yīng)力修正、S-N曲線和Pelmgren-miner線性累積損傷理論,再考慮風(fēng)向概率的影響得到最后的20年的損傷量為0.219。(3)基于名義應(yīng)力法預(yù)估的塔架的疲勞壽命為91.3年,滿足設(shè)計使用年限。

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