CN109271722A - 风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备 - Google Patents

风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备，该设计方法包括：针对每节塔架，分别采用优化算法确定每节塔架的壁厚，其中，所述优化算法的优化目标为最小化每节塔架的质量，所述优化算法的约束条件为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值。在根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备中，通过将塔架壁厚的优化算法的优化目标设置为最小化塔架的质量，以及将约束条件设置为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值，可在保证塔架实现其需要实现的功能的同时，降低塔架的成本。

Description

风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备
技术领域
本发明涉及风力发电领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备。
背景技术
塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件，其重要性随着风力发电机组的容量增加，愈来愈明显。以海上风电机组为例，塔架和基础的整理制造成本占风机总成本的三分之一左右，而塔架的重量关系到整体支撑结构的频率，影响设计院对基础的设计，更是业主考察风机厂家的指标之一。由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。
由于塔架的主要功能是支承风力发电机的机械部件、发电系统等，以及承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力，因此，塔架的设计较为复杂，需要进行多种计算以满足其需要实现的功能。目前塔架的壁厚的设计方法较多地关注其需要实现的功能，还没有一种行业内公认的较为合理和先进的方法，因此导致塔架的壁厚较厚，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备，以解决现有的塔架的壁厚的设计方法设计的塔架的成本较高的技术问题。
本发明的一方面提供一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法，设计方法包括：针对每节塔架，分别采用优化算法确定每节塔架的壁厚，其中，所述优化算法的优化目标为最小化每节塔架的质量，所述优化算法的约束条件为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值。
可选地，采用优化算法确定任意一节塔架的壁厚的步骤包括：设定所述任意一节塔架当前的壁厚；根据所述任意一节塔架当前的壁厚确定所述约束条件是否被满足；当所述约束条件未被满足时，更新当前的壁厚，并重新执行确定所述约束条件是否被满足的步骤，其中，所述更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚；当所述约束条件被满足时，将当前的壁厚作为确定的所述任意一节塔架的壁厚。
可选地，每节塔架的极限强度的安全系数为极限强度的强度储备安全系数或者极限强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数或者屈曲强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值。
可选地，每节塔架的极限强度的安全系数满足其安全裕度值是指极限强度的强度储备安全系数大于或等于极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；每节塔架的屈曲强度的安全系数满足其安全裕度值是指屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；每节塔架的疲劳强度的安全系数满足其安全裕度值是指疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于塔架焊缝的疲劳损伤累计值的安全裕度值。
可选地，极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值与屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围为1.06至1.24，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值为1.01至1.24。
可选地，塔架的极限强度的强度储备安全系数的计算公式以及塔架的极限强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_ULS为塔架的极限强度的强度储备安全系数，UTI_ULS为塔架的极限强度的材料性能使用程度系数，fy,k为塔架的材料屈服强度，γM为塔架的材料分项系数，σv为塔架的极限强度，σv根据塔架截面的名义应力分量以及塔架的壁厚和外径来确定。
可选地，塔架的极限强度σv的计算公式如下：
其中，Mxy,ges为塔架截面上的合弯矩载荷，Fz为塔架截面上的轴力载荷，Mz为塔架截面上的扭矩载荷，Fxy为塔架截面上的合成剪力载荷，Wxy为塔架抗弯截面模量，Wt为塔架抗扭截面模量，A为塔架截面积，fy,k为塔架的材料屈服强度；γM为塔架的材料分项系数。
可选地，塔架的屈曲强度的强度储备安全系数以及屈曲强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_BCK为塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数，UTI_BCK为塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数，σx,Ed为塔架特征轴向失稳临界应力值，σx,Rd为塔架实际轴向失稳临界应力值，τx,Rd为塔架特征剪切失稳临界应力值，τx,Rk为塔架实际剪切失稳临界应力值，σθ,Ed为塔架特征环向失稳临界应力值；σθ,Rd为塔架实际环向失稳临界应力值；kx，kτ，kθ和ki无量纲参数。
可选地，塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数以及塔架焊缝的疲劳损伤累计值的计算公式如下：
其中，SRF_FLS为塔架的疲劳强度的安全系数，DAM_FLS为塔架焊缝的疲劳损伤累计值，Δσi为塔架的实际应力范围值，ni为Δσi的循环次数，ND为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的循环次数，k为塔架的材料应力寿命曲线的斜率的倒数，γM为塔架的材料分项系数，ΔσD为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的应力范围值。
本发明的另一方面提供一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计设备，该设计设备包括：优化单元，针对每节塔架，分别采用优化算法确定每节塔架的壁厚，其中，所述优化算法的优化目标为最小化每节塔架的质量，所述优化算法的约束条件为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值。
可选地，所述优化单元通过以下方式来任意一节塔架的壁厚：设定所述任意一节塔架当前的壁厚；根据所述任意一节塔架当前的壁厚确定所述约束条件是否被满足；当所述约束条件未被满足时，更新当前的壁厚，并重新执行确定所述约束条件是否被满足的处理，其中，所述更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚；当所述约束条件被满足时，将当前的壁厚作为确定的所述任意一节塔架的壁厚。
可选地，每节塔架的极限强度的安全系数为极限强度的强度储备安全系数或者极限强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数或者屈曲强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值。
可选地，每节塔架的极限强度的安全系数满足其安全裕度值是指极限强度的强度储备安全系数大于或等于极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；每节塔架的屈曲强度的安全系数满足其安全裕度值是指屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；每节塔架的疲劳强度的安全系数满足其安全裕度值是指疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于塔架焊缝的疲劳损伤累计值的安全裕度值。
可选地，极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值与屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围为1.06至1.24，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值为1.01至1.24。
可选地，塔架的极限强度的强度储备安全系数的计算公式以及塔架的极限强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_ULS为塔架的极限强度的强度储备安全系数，UTI_ULS为塔架的极限强度的材料性能使用程度系数，fy,k为塔架的材料屈服强度，γM为塔架的材料分项系数，σv为塔架的极限强度，σv根据塔架截面的名义应力分量以及塔架的壁厚和外径来确定。
可选地，塔架的极限强度σv的计算公式如下：
其中，Mxy,ges为塔架截面上的合弯矩载荷，Fz为塔架截面上的轴力载荷，Mz为塔架截面上的扭矩载荷，Fxy为塔架截面上的合成剪力载荷，Wxy为塔架抗弯截面模量，Wt为塔架抗扭截面模量，A为塔架截面积，fy,k为塔架的材料屈服强度；γM为塔架的材料分项系数，其中，Mxy,ges、Fz、Mz和Fxy根据塔架的载荷计算结果来确定，Wxy、Wt、和A根据塔架的壁厚和外径来确定。
可选地，塔架的屈曲强度的强度储备安全系数以及屈曲强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_BCK为塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数，UTI_BCK为塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数，σx,Ed为塔架特征轴向失稳临界应力值，σx,Rd为塔架实际轴向失稳临界应力值，τx,Rd为塔架特征剪切失稳临界应力值，τx,Rk为塔架实际剪切失稳临界应力值，σθ,Ed为塔架特征环向失稳临界应力值；σθ,Rd为塔架实际环向失稳临界应力值；kx，kτ，kθ和ki无量纲参数，其中，σx,Ed、σx,Rd、τx,Rd、τx,Rk、σθ,Ed和σθ,Rd根据塔架的壁厚、外径以及高度来确定。
可选地，塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数以及塔架焊缝的疲劳损伤累计值的计算公式如下：
其中，SRF_FLS为塔架的疲劳强度的安全系数，DAM_FLS为塔架焊缝的疲劳损伤累计值，Δσi为塔架的实际应力范围值，ni为Δσi的循环次数，ND为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的循环次数，k为塔架的材料应力寿命曲线的斜率的倒数，ND为5e6，γM为塔架的材料分项系数，ΔσD为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的应力范围值，其中，Δσi根据塔架的外径和壁厚以及塔架的载荷计算结果来确定，其中，通过令DAM_FLS为1计算得到SRF_FLS，令SRF_FLS为1得到DAM_FLS。
本发明的另一方面提供一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计系统，所述系统包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，执行如上所述的方法。
本发明的另一方面提供一种其中存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被执行时实现如上所述的方法。
在根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备中，通过将塔架壁厚的优化算法的优化目标设置为最小化塔架的质量，以及将约束条件设置为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值，可在保证塔架实现其需要实现的功能的同时，降低塔架的成本。
此外，在根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备中，通过设置特定的校核方法以及特定的安全裕度值，可以有效地对塔架进行轻量化优化设计，并减少迭代的次数，加快设计周期。
将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法的流程图，
图2是示出根据本发明的实施例的海上风电项目的投标阶段的设计流程图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的实施例。
以下将结合图1来描述根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法的示例。作为示例，塔架的壁厚的确定可在塔架的高度、分段情况和焊缝的高度都已确定后再进行。
作为示例，各节塔架的壁厚的确定可分别进行。针对每节塔架，分别采用优化算法确定每节塔架的壁厚，其中，所述优化算法的优化目标为最小化每节塔架的质量，所述优化算法的约束条件为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值。塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数各自对应的安全裕度值可以设置为相同，也可以设置为不相同。
图1示出根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法的流程图。可以理解，图1中的确定步骤可针对任意一节塔架，也就是说，可采用图1中的步骤来确定任意一节塔架的壁厚。
参照图1，在步骤S10，设定塔架当前的壁厚。也就是说，设置塔架初始的壁厚。该初始的壁厚可被设置为塔架的壁厚的设计范围内的最小值，在之后的迭代过程中，更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚，这样可保证初始的壁厚对应的塔架的质量最小，从而满足最小化每节塔架的质量的优化目标。
在步骤S20，根据塔架当前的壁厚确定约束条件是否被满足。
当所述约束条件未被满足时，执行步骤S30，更新当前的壁厚，并重新执行确定所述约束条件是否被满足的步骤S20。更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚。
当所述约束条件被满足时，执行步骤S40，将当前的壁厚作为确定的塔架的壁厚。
作为示例，步骤S20，根据塔架当前的壁厚确定塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数是否都满足预设的安全裕度值；当塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值时，确定约束条件被满足；当塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数中的至少一个未满足预设的安全裕度值时，确定约束条件未被满足。
作为示例，每节塔架的极限强度的安全系数为极限强度的强度储备安全系数或者极限强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数或者屈曲强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值。后文将详细描述各个安全系数的确定方式。
塔架的极限强度的强度储备安全系数和塔架的屈曲强度的强度储备安全系数表示塔架的强度储备安全程度，其小于或等于1时表示塔架安全；塔架的极限强度的材料性能使用程度系数和塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数表示塔架的材料性能的使用程度，其大于或等于1时表示塔架安全。塔架的极限强度的强度储备安全系数与塔架的极限强度的材料性能使用程度系数之间是互为倒数的关系，塔架的屈曲强度的强度储备安全系数与塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数之间是互为倒数的关系。
作为示例，每节塔架的极限强度的安全系数满足其安全裕度值(即校核方法)是指：极限强度的强度储备安全系数大于或等于极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者，极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值。
作为示例，每节塔架的屈曲强度的安全系数满足其安全裕度值(即校核方法)是指：屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者，屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值。
作为示例，每节塔架的疲劳强度的安全系数满足其安全裕度值(即校核方法)是指：疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者，塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于塔架焊缝的疲劳损伤累计值的安全裕度值。
优化算法的约束条件可以是上述各种强度的不同安全校核方法的组合。
作为示例，优化算法的约束条件可以是塔架的极限强度的强度储备安全系数大于或等于其对应的安全裕度值、塔架的屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于其对应的安全裕度值以及塔架的疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于其对应的安全裕度值。
作为另一示例，优化算法的约束条件可以是塔架的极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于其对应的安全裕度值、塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于其对应的安全裕度值以及塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于其对应的安全裕度值。
一般来说，各个安全裕度值为1时，可以确保设计的塔架符合设计要求，但由于风电机组所处的环境的多样性，目前在对塔架的进行设计时会留一定的安全裕度。如果安全裕度值的取值太大，将会导致设计得到的塔架过重，不利于降低成本；如果安全裕度的取值太小，则可能造成设计的不收敛，需要更多轮次的迭代设计，降低设计效率。因此，在现有技术中，各安全裕度值的优选取值仍是未知的。
作为示例，在根据本发明的实施例中，极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值与屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围可以均为1.06至1.24，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围为1.01至1.24，相应地，极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值与屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值的取值范围可以均为0.81至0.94，疲劳损伤累计值的安全裕度值的取值范围为0.81至0.99。各安全裕度值在上述对应的各取值范围内时，可同时实现减少迭代轮次以及降低塔架质量。
作为示例，对于不同基础类型和环境下的塔架设计，各安全裕度值可采用不同的取值，这样可以有效对塔架进行轻量化优化设计，并减少迭代的次数，加快设计周期。例如，对于单桩基础，一般频率较低，在一定范围内，极限载荷随频率的增大而减小，疲劳载荷随频率的增大而略微降低，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围可以是1.01至1.04；对于导管架以及高桩承台基础，一般频率较高，极限载荷随频率的增大而略微增大，疲劳载荷随频率的增大而增大，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围可以是为1.06至1.24。
以下将描述各个安全系数的确定方式的示例。
作为示例，塔架的极限强度σv可根据塔架的各截面上的名义应力分量以及塔架的壁厚和外径进行计算，其计算公式如下式(1)所示。
其中，Mxy,ges为塔架截面上的合弯矩载荷，Fz为塔架截面上的轴力载荷，Mz为塔架截面上的扭矩载荷，Fxy为塔架截面上的合成剪力载荷，Wxy为塔架抗弯截面模量，Wt为塔架抗扭截面模量，A为塔架截面积，fy,k为塔架的材料屈服强度；γM为塔架的材料分项系数，其中，Mxy,ges、Fz、Mz和Fxy根据塔架的载荷计算结果来确定，Wxy、Wt、和A根据塔架的壁厚和外径来确定。
作为示例，塔架的极限强度的材料性能使用程度系数UTI_ULS的计算公式如下式(2)所示，塔架的极限强度的强度储备安全系数SRF_ULS的计算公式如下式(3)所示。
其中，fy,k为塔架的材料屈服强度，γM为塔架的材料分项系数，σv为塔架的极限强度，σv根据塔架截面的名义应力分量以及塔架塔架的壁厚和外径来确定。
可以看出，塔架的极限强度的材料性能使用程度系数UTI_ULS与塔架的极限强度的强度储备安全系数SRF_ULS互为倒数关系。
作为示例，塔架的屈曲强度考虑轴向压力、剪力、环向压力以及三者共同作用下的稳定性，塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数UTI_BCK的计算公式以及塔架的屈曲强度的强度储备安全系数SRF_BCK以及分别如下式(4)和(5)所示。
其中，σx,Ed为塔架特征轴向失稳临界应力值，σx,Rd为塔架实际轴向失稳临界应力值，τx,Rd为塔架特征剪切失稳临界应力值，τx,Rk为塔架实际剪切失稳临界应力值，σθ,Ed为塔架特征环向失稳临界应力值，σθ,Rd为塔架实际环向失稳临界应力值，kx，kτ，kθ和ki无量纲参数，其中，σx,Ed、σx,Rd、τx,Rd、τx,Rk、σθ,Ed和σθ,Rd根据塔架的壁厚、外径、高度以及塔架的载荷计算结果来确定。
可以看出，塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数UTI_BCK与塔架的屈曲强度的强度储备安全系数SRF_BCK互为倒数关系。
作为示例，塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数SRF_FLS以及塔架焊缝的疲劳损伤累计值DAM_FLS的计算公式如下式(6)所示。
其中，Δσi为塔架的实际应力范围值，ni为Δσi的循环次数，ND为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的循环次数，ND＝5e6(即5乘以10的6次方)，k为塔架的材料应力寿命曲线的斜率的倒数，γM为塔架的材料分项系数，ΔσD为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的应力范围值，其中，Δσi根据塔架的外径和壁厚以及塔架的载荷计算结果来确定，其中，通过令DAM_FLS为1计算得到SRF_FLS，令SRF_FLS为1计算得到DAM_FLS。
应该理解，上述公式(1)至(6)中的各个参数的具体计算方法可参见塔架设计的相关标准，并且上述的σv、UTI_ULS、SRF_ULS、UTI_BCK、SRF_BCK、SRF_FLS和DAM_FLS的计算方法不限上述的各个公式，其他可可确定σv、UTI_ULS、SRF_ULS、UTI_BCK、SRF_BCK、SRF_FLS和DAM_FLS方法和公式也可应用于本发明。
以下将结合图2以海上某风电项目为例来说明根据本发明的实施例的风电项目的投标阶段的设计流程的示例。可以理解，本发明的风电项目的投标阶段的设计流程不限于图2所示的流程，其他可实现风电项目投标阶段的设计的流程均可应用于本发明。
图2是示出根据本发明的实施例的海上风电项目的投标阶段的设计流程图。
作为示例，如图2所示，塔架和基础的设计需要给定载荷，而载荷的计算又需要给定风机支撑结构的模型，因此这是一个迭代计算收敛的设计过程，一般需要迭代三到四轮结果可以收敛。在第一轮设计的时候可根据项目经验对塔架设计进行载荷计算，随着迭代的进行，载荷和支撑结构尺寸逐渐收敛，最终载荷计算和塔架、基础设计的同时收敛。
以下将描述根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计设备。根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计设备包括优化单元。
作为示例，塔架的壁厚的确定可在塔架的高度、分段情况和焊缝的高度都已确定后再进行。
作为示例，优化单元对各节塔架的壁厚的确定可分别进行。优化单元被配置为针对每节塔架，分别采用优化算法确定每节塔架的壁厚，其中，所述优化算法的优化目标为最小化每节塔架的质量，所述优化算法的约束条件为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值。塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数各自对应的安全裕度值可以设置为相同，也可以设置为不相同。
优化单元设定塔架当前的壁厚。也就是说，设置塔架初始的壁厚。该初始的壁厚可被设置为塔架的壁厚的设计范围内的最小值，在之后的迭代过程中，更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚，这样可保证初始的壁厚对应的塔架的质量最小，从而满足最小化每节塔架的质量的优化目标。
优化单元根据塔架当前的壁厚确定约束条件是否被满足。
当所述约束条件未被满足时，优化单元更新当前的壁厚，并重新执行确定所述约束条件是否被满足的处理。更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚。
当所述约束条件被满足时，优化单元将当前的壁厚作为确定的塔架的壁厚。
作为示例，优化单元根据塔架当前的壁厚确定塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数是否都满足预设的安全裕度值；当塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值时，确定约束条件被满足；当塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数中的至少一个未满足预设的安全裕度值时，确定约束条件未被满足。
作为示例，每节塔架的极限强度的安全系数为极限强度的强度储备安全系数或者极限强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数或者屈曲强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值。上文已详细描述各个安全系数的确定方式，在此不再赘述。
塔架的极限强度的强度储备安全系数和塔架的屈曲强度的强度储备安全系数表示塔架的强度储备安全程度，其小于或等于1时表示塔架安全；塔架的极限强度的材料性能使用程度系数和塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数表示塔架的材料性能的使用程度，其大于或等于1时表示塔架安全。塔架的极限强度的强度储备安全系数与塔架的极限强度的材料性能使用程度系数之间是互为倒数的关系，塔架的屈曲强度的强度储备安全系数与塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数之间是互为倒数的关系。
作为示例，每节塔架的极限强度的安全系数满足其安全裕度值(即校核方法)是指：极限强度的强度储备安全系数大于或等于极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者，极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值。
作为示例，每节塔架的屈曲强度的安全系数满足其安全裕度值(即校核方法)是指：屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者，屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值。
作为示例，每节塔架的疲劳强度的安全系数满足其安全裕度值(即校核方法)是指：疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者，塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于塔架焊缝的疲劳损伤累计值的安全裕度值。
优化算法的约束条件可以是上述各种强度的不同安全校核方法的组合。
作为示例，优化算法的约束条件可以是塔架的极限强度的强度储备安全系数大于或等于其对应的安全裕度值、塔架的屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于其对应的安全裕度值以及塔架的疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于其对应的安全裕度值。
作为另一示例，优化算法的约束条件可以是塔架的极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于其对应的安全裕度值、塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于其对应的安全裕度值以及塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于其对应的安全裕度值。
一般来说，各个安全裕度值为1时，可以确保设计的塔架符合设计要求，但由于风电机组所处的环境的多样性，目前在对塔架的进行设计时会留一定的安全裕度。如果安全裕度值的取值太大，将会导致设计得到的塔架过重，不利于降低成本；如果安全裕度的取值太小，则可能造成设计的不收敛，需要更多轮次的迭代设计，降低设计效率。因此，在现有技术中，各安全裕度值的优选取值仍是未知的。
作为示例，在根据本发明的实施例中，极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值与屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围可以均为1.06至1.24，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围为1.01至1.24，相应地，极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值与屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值的取值范围可以均为0.81至0.94，疲劳损伤累计值的安全裕度值的取值范围为0.81至0.99。各安全裕度值在上述对应的各取值范围内时，可同时实现减少迭代轮次以及降低塔架质量。
作为示例，对于不同基础类型和环境下的塔架设计，各安全裕度值可采用不同的取值，这样可以有效对塔架进行轻量化优化设计，并减少迭代的次数，加快设计周期。例如，对于单桩基础，一般频率较低，在一定范围内，极限载荷随频率的增大而减小，疲劳载荷随频率的增大而略微降低，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围可以是1.01至1.04；对于导管架以及高桩承台基础，一般频率较高，极限载荷随频率的增大而略微增大，疲劳载荷随频率的增大而增大，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围可以是为1.06至1.24。
在根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备中，通过将塔架壁厚的优化算法的优化目标设置为最小化塔架的质量，以及将约束条件设置为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值，可在保证塔架实现其需要实现的功能的同时，降低塔架的成本。
此外，在根据本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备中，通过设置特定的校核方法以及特定的安全裕度值，可以有效地对塔架进行轻量化优化设计，并减少迭代的次数，加快设计周期。
根据本发明的实施例还提供一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计系统，该系统包括处理器和存储器，该存储器存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，执行如上文所述的方法。
根据本发明的实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被执行时实现如上文所述的方法。
此外，根据本发明的实施例的本发明的实施例的风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法的各个程序模块可完全由硬件来实现，例如现场可编程门阵列或专用集成电路；还可以由硬件和软件相结合的方式来实现；也可以完全通过计算机程序来以软件方式实现。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法，其特征在于，包括：
针对每节塔架，分别采用优化算法确定每节塔架的壁厚，其中，所述优化算法的优化目标为最小化每节塔架的质量，所述优化算法的约束条件为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，采用优化算法确定任意一节塔架的壁厚的步骤包括：
设定所述任意一节塔架当前的壁厚；
根据所述任意一节塔架当前的壁厚确定所述约束条件是否被满足；
当所述约束条件未被满足时，更新当前的壁厚，并重新执行确定所述约束条件是否被满足的步骤，其中，所述更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚；
当所述约束条件被满足时，将当前的壁厚作为确定的所述任意一节塔架的壁厚。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，每节塔架的极限强度的安全系数为极限强度的强度储备安全系数或者极限强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数或者屈曲强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，每节塔架的极限强度的安全系数满足其安全裕度值是指极限强度的强度储备安全系数大于或等于极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；
每节塔架的屈曲强度的安全系数满足其安全裕度值是指屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；
每节塔架的疲劳强度的安全系数满足其安全裕度值是指疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于塔架焊缝的疲劳损伤累计值的安全裕度值。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值与屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围为1.06至1.24，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值为1.01至1.24。
6.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，塔架的极限强度的强度储备安全系数的计算公式以及塔架的极限强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_ULS为塔架的极限强度的强度储备安全系数，UTI_ULS为塔架的极限强度的材料性能使用程度系数，fy,k为塔架的材料屈服强度，γM为塔架的材料分项系数，σv为塔架的极限强度，σv根据塔架截面的名义应力分量以及塔架的壁厚和外径来确定。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，塔架的极限强度σv的计算公式如下：
其中，Mxy,ges为塔架截面上的合弯矩载荷，Fz为塔架截面上的轴力载荷，Mz为塔架截面上的扭矩载荷，Fxy为塔架截面上的合成剪力载荷，Wxy为塔架抗弯截面模量，Wt为塔架抗扭截面模量，A为塔架截面积，fy,k为塔架的材料屈服强度；γM为塔架的材料分项系数。
8.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，塔架的屈曲强度的强度储备安全系数以及屈曲强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_BCK为塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数，UTI_BCK为塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数，σx,Ed为塔架特征轴向失稳临界应力值，σx,Rd为塔架实际轴向失稳临界应力值，τx,Rd为塔架特征剪切失稳临界应力值，τx,Rk为塔架实际剪切失稳临界应力值，σθ,Ed为塔架特征环向失稳临界应力值；σθ,Rd为塔架实际环向失稳临界应力值；kx，kτ，kθ和ki无量纲参数。
9.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数以及塔架焊缝的疲劳损伤累计值的计算公式如下：
其中，SRF_FLS为塔架的疲劳强度的安全系数，DAM_FLS为塔架焊缝的疲劳损伤累计值，Δσi为塔架的实际应力范围值，ni为Δσi的循环次数，ND为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的循环次数，k为塔架的材料应力寿命曲线的斜率的倒数，γM为塔架的材料分项系数，ΔσD为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的应力范围值。
10.一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计设备，其特征在于，包括：
优化单元，针对每节塔架，分别采用优化算法确定每节塔架的壁厚，其中，所述优化算法的优化目标为最小化每节塔架的质量，所述优化算法的约束条件为每节塔架的极限强度的安全系数、屈曲强度的安全系数以及疲劳强度的安全系数都满足预设的安全裕度值。
11.根据权利要求10所述的设计设备，其特征在于，所述优化单元通过以下方式来任意一节塔架的壁厚：
设定所述任意一节塔架当前的壁厚；
根据所述任意一节塔架当前的壁厚确定所述约束条件是否被满足；
当所述约束条件未被满足时，更新当前的壁厚，并重新执行确定所述约束条件是否被满足的处理，其中，所述更新之后的壁厚大于更新之前的壁厚；
当所述约束条件被满足时，将当前的壁厚作为确定的所述任意一节塔架的壁厚。
12.根据权利要求10所述的设计设备，其特征在于，每节塔架的极限强度的安全系数为极限强度的强度储备安全系数或者极限强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数或者屈曲强度的材料性能使用程度系数，和/或，每节塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值。
13.根据权利要求12所述的设计设备，其特征在于，每节塔架的极限强度的安全系数满足其安全裕度值是指极限强度的强度储备安全系数大于或等于极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者极限强度的材料性能使用程度系数小于或等于极限强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；
每节塔架的屈曲强度的安全系数满足其安全裕度值是指屈曲强度的强度储备安全系数大于或等于屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者屈曲强度的材料性能使用程度系数小于或等于屈曲强度的材料性能使用程度系数的安全裕度值；
每节塔架的疲劳强度的安全系数满足其安全裕度值是指疲劳强度的强度储备安全系数大于或等于疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值，或者塔架焊缝的疲劳损伤累计值小于或等于塔架焊缝的疲劳损伤累计值的安全裕度值。
14.根据权利要求13所述的设计设备，其特征在于，极限强度的强度储备安全系数的安全裕度值与屈曲强度的强度储备安全系数的安全裕度值的取值范围为1.06至1.24，疲劳强度的强度储备安全系数的安全裕度值为1.01至1.24。
15.根据权利要求12所述的设计设备，其特征在于，塔架的极限强度的强度储备安全系数的计算公式以及塔架的极限强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_ULS为塔架的极限强度的强度储备安全系数，UTI_ULS为塔架的极限强度的材料性能使用程度系数，fy,k为塔架的材料屈服强度，γM为塔架的材料分项系数，σv为塔架的极限强度，σv根据塔架截面的名义应力分量以及塔架的壁厚和外径来确定。
16.根据权利要求15所述的设计设备，其特征在于，塔架的极限强度σv的计算公式如下：
其中，Mxy,ges为塔架截面上的合弯矩载荷，Fz为塔架截面上的轴力载荷，Mz为塔架截面上的扭矩载荷，Fxy为塔架截面上的合成剪力载荷，Wxy为塔架抗弯截面模量，Wt为塔架抗扭截面模量，A为塔架截面积，fy,k为塔架的材料屈服强度；γM为塔架的材料分项系数，其中，Mxy,ges、Fz、Mz和Fxy根据塔架的载荷计算结果来确定，Wxy、Wt、和A根据塔架的壁厚和外径来确定。
17.根据权利要求12所述的设计设备，其特征在于，塔架的屈曲强度的强度储备安全系数以及屈曲强度的材料性能使用程度系数的计算公式如下：
其中，SRF_BCK为塔架的屈曲强度的安全系数为屈曲强度的强度储备安全系数，UTI_BCK为塔架的屈曲强度的材料性能使用程度系数，σx,Ed为塔架特征轴向失稳临界应力值，σx,Rd为塔架实际轴向失稳临界应力值，τx,Rd为塔架特征剪切失稳临界应力值，τx,Rk为塔架实际剪切失稳临界应力值，σθ,Ed为塔架特征环向失稳临界应力值；σθ,Rd为塔架实际环向失稳临界应力值；kx，kτ，kθ和ki无量纲参数，其中，σx,Ed、σx,Rd、τx,Rd、τx,Rk、σθ,Ed和σθ,Rd根据塔架的壁厚、外径以及高度来确定。
18.根据权利要求12所述的设计设备，其特征在于，塔架的疲劳强度的安全系数为疲劳强度的强度储备安全系数以及塔架焊缝的疲劳损伤累计值的计算公式如下：
其中，SRF_FLS为塔架的疲劳强度的安全系数，DAM_FLS为塔架焊缝的疲劳损伤累计值，Δσi为塔架的实际应力范围值，ni为Δσi的循环次数，ND为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的循环次数，k为塔架的材料应力寿命曲线的斜率的倒数，ND为5e6，γM为塔架的材料分项系数，ΔσD为塔架的材料应力寿命曲线拐点所对应的应力范围值，其中，Δσi根据塔架的外径和壁厚以及塔架的载荷计算结果来确定，其中，通过令DAM_FLS为1计算得到SRF_FLS，令SRF_FLS为1得到DAM_FLS。
19.一种风力发电机组的塔架的壁厚的设计系统，其特征在于，所述系统包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，执行权利要求1至9中的任一项所述的方法。
20.一种其中存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被执行时实现权利要求1至9中的任一项所述的方法。
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