CN109726414A - 一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法及疲劳分析装置 - Google Patents

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严素欣
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Abstract

本发明属于疲劳计算技术领域，具体涉及一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法及疲劳分析装置，目的是提出一种风电行业轮毂疲劳计算方法及疲劳分析装置，采用惯性释放法，依据行业相关标准建立多应力比S‑N曲线，结合有限元计算软件与疲劳分析软件计算风力发电机组轮毂疲劳损伤。其特征在于：它包括建立有限元模型；对应力谱进行雨流计数；建立不同应力比下的S‑N曲线族；计算疲劳损伤。本发明比目前行业内通过R＝‑1下S‑N曲线通过修正得到的疲劳损伤更加准确。

Description

一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法及疲劳分析装置
技术领域
本发明属于疲劳计算技术领域，具体涉及一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法及疲劳分析装置。
背景技术
随着国内风电市场的快速发展，风电机组结构件的可靠性在设计中显得越来越重要。
风力发电机组轮毂结构件是风电机组中中重要承载部件，其承受或传递复杂的静载和动载荷，其中疲劳破坏是风力发电机组结构件的主要失效模式之一。
轮毂结构疲劳计算结果的准确度对风机发电机组的寿命及经济价值有着至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的是提出一种风电行业轮毂疲劳计算方法及疲劳分析装置，采用惯性释放法，依据行业相关标准建立多应力比S-N曲线，结合有限元计算软件与疲劳分析软件计算风力发电机组轮毂疲劳损伤。
本发明是这样实现的：
一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法，具体包括如下步骤：
步骤一：建立有限元模型；建立轮毂有限元模型；主要模型结构包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体；结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷；模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍；在轮毂实体单元表面建立一层壳单元，提取壳单元应力作为疲劳损伤计算的应力基数；考虑轴承接触的非线性特性，变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接；在有限元模型中分别将6个自由度的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下；通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果；采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱；
步骤二：对应力谱进行雨流计数；雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了马科夫矩阵，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系；
步骤三：建立不同应力比下的S-N曲线族；依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线；确定S-N曲线时通过选取不同应力比R＝-2，R＝-1，R＝-0.75，R＝-0.5，R＝-0.25，R＝0，R＝0.25，R＝0.5，R＝0.75，得到9条S-N曲线，形成不同应力比下S-N曲线族；
步骤四：计算疲劳损伤；将雨流计数得到的马科夫矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出不同应力幅和平均应力下的寿命值；依据采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。
所述的步骤一中，计算应力时间历程的具体公式如下：
其中：σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz为应力分量；Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)、Mx(t)、My(t)、Mz(t)是时间载荷历程分量；其他是单位载荷有限元应力分量结果。
一种风力发电机轮毂结构疲劳分析装置，包括：
有限元建模单元；主要结构模型包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体；结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷；模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍；在轮毂实体单元表面建立一层壳单元，提取壳单元应力作为疲劳损伤计算的应力基数；考虑轴承接触的非线性特性，变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接；在有限元模型中分别将各个载荷分量的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下；
应力谱单元；通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果；采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱；对应力谱进行雨流计数，雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了应力谱，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系；
疲劳损伤计算单元；建立不同应力比下的S-N曲线族；依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线族；计算疲劳损伤，将雨流计数得到的矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出多个寿命值；采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。
本发明的有益效果是：
本发明采用惯性释放法进行轮毂疲劳计算得到应力谱，即在有限元模型中分别将各个载荷分量的单位载荷分别作为每个载荷工况计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果，再结合载荷时间序列，即可得到应力时间序列，即应力谱；有限元建模部分考虑变桨轴承非线性关系，即用有限元软件Abaqus中Gap单元模拟变桨轴承承压不承拉的非线性特性，使计算结果更加准确；有限元建模过程中，叶片采用假体建模中，由于加载位置在叶根处，因此考虑圣维南原理，保证叶片长度达到直径的1.5倍，消除局部加载造成的应力不均匀不真实的问题；在轮毂实体单元表面建立一层壳单元，提取壳单元应力作为疲劳损伤计算的应力值，而不是取实体单元应力值计算疲劳损伤，这样做一是考虑到疲劳裂纹源均发生在表面这一特征，二是消除实体单元应力平均带来的不准确性；根据德国劳埃德GL风机标准规范给出的铸件结构的S-N曲线，得到多个应力比下的S-N曲线族，应用多应力比曲线族计算疲劳损伤，比目前行业内通过R＝-1下S-N曲线通过修正得到的疲劳损伤更加准确。
附图说明
图1是QT350材料不同应力比下的S-N曲线族；
图2是风力发电机轮毂疲劳分析装置的组成结构图；
图3是轮毂疲劳应力云图；
图4是单元损伤结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法，具体包括如下步骤：
步骤一：建立有限元模型。建立轮毂有限元模型。主要模型结构包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体。结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷。模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍。在轮毂实体单元表面建立一层壳单元，提取壳单元应力作为疲劳损伤计算的应力基数。考虑轴承接触的非线性特性变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接。在有限元模型中分别将6个自由度的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下。通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果。采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱。具体计算公式如下：
其中：σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz为应力分量；Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)、Mx(t)、My(t)、Mz(T)是时间载荷历程分量；其他是单位载荷有限元应力分量结果。
步骤二：对应力谱进行雨流计数。雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了马科夫矩阵，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系。
步骤三：建立不同应力比下的S-N曲线族。依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线。确定S-N曲线时通过选取不同应力比R＝-2，R＝-1，R＝-0.75，R＝-0.5，R＝-0.25，R＝0，R＝0.25，R＝0.5，R＝0.75，得到9条S-N曲线，形成不同应力比下S-N曲线族。
步骤四：计算疲劳损伤。将雨流计数得到的马科夫矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出不同应力幅和平均应力下的寿命值。依据采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。
如图2所示，一种风力发电机轮毂结构疲劳分析装置，包括：
有限元建模单元110。主要结构模型包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体。结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷。模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍。在轮毂实体单元表面建立一层壳单元，提取壳单元应力作为疲劳损伤计算的应力基数。考虑轴承接触的非线性特性变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接。在有限元模型中分别将各个载荷分量的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下。
应力谱单元120。通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果。采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱。对应力谱进行雨流计数，雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了应力谱，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系。
疲劳损伤计算单元130。建立不同应力比下的S-N曲线族。依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线族见附图1。计算疲劳损伤，将雨流计数得到的矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出多个寿命值。依据采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。图3给出由该疲劳计算方法及疲劳计算装置得到的轮毂疲劳云图。图4为轮毂结构计算得到的损伤值最大的10个单元编号及其损伤值。第一列为损伤单元编号，第二列为对应的损伤值，按损伤值大小由上到下排列。
上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (3)

1.一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法，具体包括如下步骤：
步骤一：建立有限元模型；建立轮毂及相关结构件有限元模型；主要模型结构包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体；结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷；模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍；在轮毂实体单元表面建立一层壳单元，提取壳单元应力作为疲劳损伤计算的应力基数；考虑轴承接触的非线性特性，变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接；在有限元模型中分别将6个自由度的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下；通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果；采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱；
步骤二：对应力谱进行雨流计数；雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了马科夫矩阵，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系；
步骤三：建立不同应力比下的S-N曲线族；依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线；确定S-N曲线时通过选取不同应力比R＝-2，R＝-1，R＝-0.75，R＝-0.5，R＝-0.25，R＝0，R＝0.25，R＝0.5，R＝0.75，得到9条S-N曲线，形成不同应力比下S-N曲线族；
步骤四：计算疲劳损伤；将雨流计数得到的马科夫矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出不同应力幅和平均应力下的寿命值；依据采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。
2.根据权利要求1所述的风力发电机轮毂结构疲劳计算方法，其特征在于：所述的步骤一中，计算应力时间历程的具体公式如下：
σx(t)＝SxFx*Fx(t)+SxFy*Fy(t)+SxFz*Fz(t)+SxMx*Mx(t)+SxMy*My(t)+SxMz*Mz(t)
σy(t)＝SyFx*Fx(t)+SyFy*Fy(t)+SyFz*Fz(t)+SyMx*Mx(t)+Sy*My(t)+SyMz*Mz(t)
σz(t)＝SzFx*Fx(t)+SzFy*Fy(t)+SzFz*Fz(t)+SzMx*Mx(t)+SzMy*My(t)+SzMz*Mz(t)
τxy(t)＝SxyFx*Fx(t)+SxyFy*Fy(t)+SxyFz*Fz(t)+SxyMx*Mx(t)+SxyMy*My(t)+SxyMz*Mz(t)
τyz(t)＝SyzFx*Fx(t)+SyzFy*Fy(t)+SyzFz*Fz(t)+SyzMx*Mx(t)+SyzMy*My(t)+SyzMz*Mz(t)
τxz(t)＝SxzFx*Fx(t)+SxzFy*Fy(t)+SxzFz*Fz(t)+Sxz*Mx(t)+SxzMy*My(t)+SxzMz*Mz(t)
其中：σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz为应力分量；Fx(t)、Fy(t)、Fz(t)、Mx(t)、My(t)、Mz(t)是时间载荷历程分量；其他是单位载荷有限元应力分量结果。
3.一种风力发电机轮毂结构疲劳分析装置，其特征在于，它包括：
有限元建模单元(110)；主要结构模型包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体；结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷；模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍；考虑轴承接触的非线性特性变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接；在有限元模型中分别将各个载荷分量的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下；
应力谱单元(120)；通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果；采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱；对应力谱进行雨流计数，雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了应力谱，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系；
疲劳损伤计算单元(130)；建立不同应力比下的S-N曲线族；依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线族；计算疲劳损伤，将雨流计数得到的矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出多个寿命值；采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。
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